Enerģija un darbs fizikā

• Dabā ir divi enerģijas veidi: potenciālā enerģija un kinētiskā enerģija.
• Veiktais darbs ir vienāds ar enerģijas izmaiņu.

Enerģija un darbs

• Enerģija nosaka ķermeņa spēju veikt darbu.
• Fizikā enerģija iedalās kinētiskajā (saistīta ar kustību) un potenciālajā (saistīta ar ķermeņa stāvokli).
• Kinētiskā enerģija piemīt ķermeņiem un viļņiem, kas atrodas kustībā.
• Potenciālā enerģija ir ķermeņa uzkrātā enerģija, kas var tikt atbrīvota.
• Piemēram, atvelkot loka stiegru, tai piešķir potenciālo enerģiju, kas ļauj izsviest bultu.
• Liela enerģija ir atoma kodolā starp protoniem un neitroniem, kas atbrīvojas kodolreakcijās.
• Ķermeņa enerģija mainās, kad ķermenis pats veic darbu vai uz to iedarbojas ārējs spēks.
• Mehānisko darbu veic spēks, pārvietojot ķermeni noteiktā attālumā.
• Ķermeņa kinētiskā enerģija ir atkarīga tikai no ķermeņa masas (m) un ātruma (v).
• Ķermeņa kinētiskā enerģija ir tieši proporcionāla ķermeņa masai un tā ātruma kvadrātam: Ek = mv²/2.

Enerģijas patēriņš un darbs

• Jebkurš enerģijas patēriņš ir vienāds ar padarīto darbu (∆E = A).
• Mehānisko darbu var veikt vilcējspēks, berzes spēks, smaguma spēks, elastības spēks u.c.
• Darba veikšanai nepieciešams spēks un kustība.
• Vilcējspēka darbs ir vienāds ar ķermeņa kinētiskās enerģijas izmaiņu: A = ΔEk.
• Ja kustību uzsākot, ķermenim kinētiskās enerģijas nav, tad spēka darbs ir A = Ek.
• Berzes spēka darbs ir negatīvs: Ab = −Fbs.
• Berzes spēka darbs ir vienāds ar ķermeņa kinētiskās enerģijas izmaiņu, un šī kinētiskā enerģija pārvēršas siltumā.

Mehāniskais darbs taisnvirziena kustībā

• Ja taisnvirziena kustībā spēks ir vērsts pārvietojuma virzienā, darbs ir spēka un ceļa reizinājums: A = Fs.
• Ja spēks F ir leņķī α pret pārvietojuma virzienu, darbs ir A = Fs * cos(α).
• Darbu veic tikai spēka vektora horizontālā komponente Fx.
• Spēka veiktais darbs ir atkarīgs no leņķa α starp spēku un pārvietojuma virzienu.
• Ja spēks kustības laikā mainās, veiktais attālums jāsadala mazos posmos, kur spēku var uzskatīt par nemainīgu.
• Kopējo darbu iegūst, summējot darbus visos posmos.
• Lai pārvietotu ķermeni attālumā s un ātrumu palielinātu no v0 līdz v, spēks pastrādā darbu: A = (mv²)/2 − (mv0²)/2.

Mērvienības

• Darbu un enerģiju mēra džoulos (J).
• Viens džouls ir darbs, ko veic viena ņūtona liels spēks, pārvietojot ķermeni viena metra attālumā (1 J = 1 N∙m).
• Piemēram, 1 J darbu pastrādā, paceļot 100 g smagu grāmatu 1 m augstumā.

Grafiskā metode darba aprēķināšanai

• Darbu var aprēķināt grafiski, atliekot spēku uz vertikālās ass un pārvietojumu uz horizontālās ass.
• Spēka veiktais darbs skaitliski ir vienāds ar laukumu, ko ierobežo spēka līnija un ceļa ass.

Pilnā mehāniskā enerģija

• Ķermeņiem var piemist gan kinētiskā, gan potenciālā enerģija vienlaicīgi.
• Lidmašīnai ir gan kinētiskā enerģija (Ek) dēļ ātruma v, gan potenciālā enerģija (Ep) dēļ augstuma h virs zemes.
• Pilnā mehāniskā enerģija (E) ir kinētiskās un potenciālās enerģijas summa.
• Daudzos procesos ķermeņa kinētiskās un potenciālās enerģijas summa paliek nemainīga, notiek tikai savstarpēja enerģijas pārvērtība.
• Kad kinētiskā enerģija samazinās, potenciālā enerģija pieaug, un otrādi.
• Kad vāze krīt no plaukta, potenciālā enerģija samazinās, bet kinētiskā enerģija palielinās.
• Atsitoties pret zemi, daļa mehāniskās enerģijas pārvēršas skaņas enerģijā un siltumā, izraisot troksni un vāzes sašķelšanos.
• Enerģijas savstarpējās pārvērtības raksturīgas daudziem dabas procesiem.

Enerģijas nezūdamības likums

• Noslēgtai sistēmai (ko neietekmē ārēji spēki) ir spēkā pilnās mehāniskās enerģijas nezūdamības likums.
• Par noslēgtu sistēmu sauc tādu, kuru neietekmē ārēji spēki.
• Ķermeņa kinētiskās un potenciālās enerģijas summa noslēgtā sistēmā nemainās.
• Notiek tikai kinētiskās un potenciālās enerģijas savstarpējās pārvērtības.
• Piemēram, vāzei krītot no plaukta, potenciālā enerģija samazinās, bet kinētiskā enerģija palielinās.
• Atsitoties pret zemi, daļa mehāniskās enerģijas pārvēršas skaņas enerģijā un siltumā.
• Skrituļdēlim nobraucot no rampas, potenciālā enerģija augstumā h1 pārvēršas kinētiskajā enerģijā rampas pakājē.
• Kinētiskā enerģija ļauj uzbraukt nākamajā rampas pacēlumā augstumā h2.
• Daļa mehāniskās enerģijas berzes un pretestības dēļ pārvēršas siltumā.
• Ja neņem vērā berzes spēku, ir spēkā enerģijas nezūdamības likums.

Jauda un lietderības koeficients

• Jauda (N) ir darba veikšanas vai enerģijas tērēšanas ātrums (E) laika vienībā (t): N = A/t vai N = E/t.

Jauda

• Jaudu mēra vatos (W); 1 W ir vienāds ar 1 J enerģijas patēriņu vienā sekundē (1 W = 1 J/s).
• Ierīču jauda var būt kilovatos (kW) vai megavatos (MW).
• Automašīnu dzinēju jaudu mēdz izteikt zirgspēkos (ZS); 1 ZS = 736 W.
• Jauda ir svarīgs transportlīdzekļa raksturlielums; lielāks vilcējspēks nodrošina lielāku ātrumu.
• Dzinēja vidējo jaudu izsaka kā vilcējspēka (Fv) un ātruma (v) reizinājumu: N = Fv * v.

Lietderības koeficients

• Ne visu transportlīdzekļa attīstīto jaudu izmanto lietderīgi; daļa tiek patērēta siltuma, berzes un gaisa pretestības pārvarēšanai.
• Lietderības koeficients (η) raksturo lietderīgi pastrādātā darba īpatsvaru no kopējā enerģijas patēriņa.
• Lietderības koeficients ir skaitlis starp 0 un 1, ko bieži izsaka procentos.
• Lietderības koeficients ir lietderīgi izmantotā darba attiecība pret visu veikto darbu.