energija

Energija i snaga

Energija je sposobnost tela da vrši rad. Ovo je klasična definicija energije, koja je primenljiva u svetu u kojem živimo, gde se mase mere kologramima, dimenzije metrima a brzine su neuporedive sa brzinom svetlosti. Danas je poznato da su masa i energija dva pojavna oblika jednog te istog entiteta, od kojeg je satkan ceo svemir. Energija je skalarna veličina za koju se koristi oznaka E, a merna jedinica je [ J ] (Džul). Apstraktni pojam energije može poprimiti razne konkretne oblike, kada je nazivamo u skladu sa pojmom za koji se vezuje: električna energija, toplotna energija, mehanička energija, hemijska energija, svetlosna energija... Pojam energije se često koristi i u kontekstu koji nema veze sa fizikom: životna energija, psihička energija ...

Energija se nikada ne može pretvoriti iz jednog oblika u drugi bez gubitaka. Kada upalimo svetlo, električna energija se pretvara u svetlosnu, ali se istovremeno jedan deo pretvara u toplotu. Svi alati i aparati su ustvari pretvarači energije iz jednog oblika u drugi. Naše telo pretvara hemijsku energiju hrane u razne vidove energije (toplotnu, mehaničku, električnu ...), automobil pretvara hemijsku energiju goriva u mehaničku (kinetičku) energiju (+toplota) itd. Za svaki pretvarač energije se može definisati veličina koja govori koliko je taj aparat uspešan u onome što (bi trebalo da) radi. Ova veličina se naziva stepen korisnog dejstva, obeležava se sa η ( eta ), a izračunava kao odnos korisne i uložene energije, izražen u procentima:

η = (Ekorisno/Euloženo) · 100 [ % ]

Pretvaranje energije iz jednog oblika u drugi nazivamo rad - Rad je mera pretvaranja energije iz jednog oblika u drugi. Oznaka za rad je A a jedinica je [ J ].

Mehanička energija i mehanički rad

Kinetička energija

Telo koje se nalazi u kretanju je sposobno da izvrši rad (reka okreće točak vodenice, bilijarska kugla u kretanju pomera drugu kuglu itd.), te stoga poseduje neku energiju koja se naziva - kinetička energija. Ova energija zavisi od dve veličine: mase tela m i njegove brzine v. Kinetička energija koju poseduje telo u kretanju data je izrazom:

$$E_{k}=\frac{mv^{2} }{2} $$

Mehanički rad

Da ne bismo ulazili u nepotrebne detalje oko toga koja energija se pretvara u koju, prilikom pomeranja tela duž nekog puta, za silu F koja pomera telo duž puta S kažemo da "sila vrši rad na putu". Ovaj rad se naziva mehanički rad . Ukoliko se telo pomera po inerciji, bez delovanja sile (kretanje vasionskog broda van gravitacionih polja) mehanički rad je jednak nuli - ne troši se nikakva energija. Osim toga, ako sila F ne deluje u istom pravcu i smeru u kojem se prostire i put S (pravac i smer pomeranja tela), računa se samo ona komponenta sile koja deluje duž pravca kojim se telo pomera Fv.

$$ F_{v}=F\cos \theta$$

$$A=F\cdot S\cos \theta =\vec{F} \cdot \vec{S} $$

Gravitaciona potencijalna energija

Potencijalna energija tela je energija kojom je posmatrano telo vezano za Zemlju. Referentni nivo, gde je potencijalna energija jednaka nuli je u beskonačnosti, gde je i gravitaciono delovanje Zemlje jednako nuli. Potencijalna energija je jednaka radu učinjenom da se telo iz posmatrane tačke odvede u beskonačnost. Stoga je potencijalna energija svakog tela u gravitacionom polju Zemlje negativna - energija kojom je telo vezano za Zemlju, a za samo telo kažemo da se nalazi u potencijalnoj jami. Dubina potencijalne jame jednaka je potencijalnoj energiji tela.

Ovakav pristup, iako teorijski potpuno ispravan, nije zgodan za proračune kada su u pitanju tela blizu površine Zemlje, što je najčešći slučaj.

Ako se telo mase m nalazi na visini h u gravitacionom polju, poseduje skrivenu sposobnost da izvrši rad (ako padne), odnosno poseduje potencijalnu energiju. Da bi podigli telo na neku visinu h moramo primeniti silu jednaku težini tela mg. U tom slučaju vršimo mehanički rad na podizanju tela. Ako se u izrazu za mehanički rad zamene veličine F i S veličinama mg i h, dobiće se izraz za rad na podizanju tereta mase m u polju Zemljine teže g, na visinu h.

$$A=mg\cdot h $$

Sila mg i put h imaju isti pravac i smer, te je izraz napisan u skalarnom obliku.

Ako za referentni nivo na kojem je potencijalna energija tela jednaka nuli, odaberemo površinu Zemlje, umesto beskonačnosti, potencijalna energija tela na visini h u gravitacionom polju Zemlje, biće jednaka radu izvršenom na podizanje tela sa površine Zemlje do visine h:

$$E_{p} =mgh $$

Kinetička i potencijalna energija su vidovi mehaničke energije. Kinetička energija se može transformisati u potencijalnu energiju (i obrnuto) bez gubitaka, sve dok se ukupna mehanička energija ne menja Ek+Ep= const. Primer za to je vertikalni hitac. Telo ispaljeno sa površine zemlje vertikalno u vis brzinom v u početnom trenutku ima samo kinetičku energiju. Kako se telo penje, njegova potencijalna energija raste sa visinom, dok se kinetička istovremeno smanjuje. U najvišoj tački ( v=0 ) telo ima samo potencijalnu energiju, koja je brojno jednaka kinetičkoj energiji koju je telo imalo u početnom trenutku. U trenutku udara o zemlju ( h=0 ), potencijalna energija je jednaka nuli dok kinetička energija ima maksimalnu vrednost (kao i u početnom trenutku). Ovo je tačno samo ako nema gubitaka energije na otpor sredine isl., odnosno ake se ukupna mehanička energija ne menja Ek+Ep= const.

Ovakvom postavkom računamo za koliko se (u energetskom smislu) telo popelo uz zid potencijalne jame, odnosno koliki će rad izvršiti prilikom ponovnog pada na njeno "dno".

Snaga

Snaga je brzina vršenja rada. Obeležava se slovom P a jedinica je vat [W]. Brzina kojom se energija transformiše iz jednog oblika u drugi je važna informacija, koja karakteriše različite procese u prirodi i tehnici. Količina toplote koju emituje grejalica svake sekunde ograničava veličinu prostorije koja se takvom grejalicom može zagrejati - grejalica veće snage greje veću prostoriju. Aparat koji ima veću snagu obavi isti rad za manje vremena, odnosno obavi veći rad za isto vreme u odnosu na aparat manje snage. Snaga se izračunava po formuli:

$$P=\frac{A}{t} $$

Merna jedinica za snagu je vat [W].

U slučaju mehaničkog rada, pomeranja tela duž nekog puta, snaga se može iskazati formulom:

$$P=\frac{A}{t}=\frac{F\cdot S}{t} \Rightarrow P=F\cdot v $$

Snaga, energija i sila se u svakodnevnom govoru često koriste kao sinonimi, iako to nisu. Ukoliko padne saksija mase m sa prvog sprata na trotoar, delovaće na trotoar silom m·g. Istom silom bi delovala i kada bi pala sa petog sprata. Ono što se razlikuje u ova dva slučaja je snaga udara o tle, kao i energija koju saksija preda trotoaru. U drugom slučaju, kada pada sa petog sprata, snaga udara je znatno veća jer je saksja na putu do tla stekla znatno veću brzinu nego u prvom slučaju. Osim toga, veća brzina pri udaru znači i veću kinetičku energiju u trenutku udara. Sila je u oba slučaja ista.