Energia kinetyczna — co to jest
Energia kinetyczna to energia ruchu, obliczana ze wzoru E = mv²/2. Energia potencjalna wynika z położenia ciała i dla grawitacji wynosi E = mgh.
Energia mechaniczna występuje w dwóch postaciach, które nieustannie przechodzą jedna w drugą. Poniżej wzory i zasada, która nimi rządzi.
Energia kinetyczna
Ek = mv² / 2
Kluczowa jest zależność od kwadratu prędkości. Podwojenie prędkości oznacza czterokrotnie większą energię, a potrojenie dziewięciokrotnie.
To wyjaśnia, dlaczego droga hamowania rośnie tak szybko: przy 100 km/h jest ponad dwukrotnie dłuższa niż przy 70 km/h, mimo że prędkość różni się o niecałe półtora raza. Ta sama zależność decyduje o skutkach zderzeń.
Energia potencjalna
Ep = mgh, gdzie g to przyspieszenie ziemskie, a h wysokość.
Zależność jest liniowa — dwukrotnie wyżej oznacza dwukrotnie więcej energii. Wysokość liczy się względem dowolnie wybranego poziomu odniesienia, zwykle powierzchni ziemi lub podłogi.
Osobnym przypadkiem jest energia sprężystości, gromadzona w rozciągniętej sprężynie albo napiętym łuku.
Zasada zachowania energii
W układzie bez oporów suma energii kinetycznej i potencjalnej pozostaje stała. Energia nie ginie, lecz zmienia postać.
Spadająca piłka traci wysokość, więc energię potencjalną, ale zyskuje prędkość, czyli kinetyczną. W najwyższym punkcie rzutu cała energia jest potencjalna, tuż przed uderzeniem w ziemię cała kinetyczna.
Dlaczego wahadło się zatrzymuje
Skoro energia się zachowuje, wahadło powinno kołysać się w nieskończoność. W praktyce zatrzymuje się, bo energia przechodzi w ciepło wskutek tarcia i oporu powietrza.
Zasada zachowania nadal obowiązuje — energia nie zniknęła, lecz rozproszyła się w otoczeniu w postaci nieuporządkowanego ruchu cząsteczek. Różnica polega na tym, że tej postaci nie da się w prosty sposób odzyskać.
Moc — energia w czasie
Moc określa, jak szybko wykonywana jest praca albo przekazywana energia. Wyraża ją wzór P = W/t, a jednostką jest wat, czyli dżul na sekundę.
Rozróżnienie ma znaczenie praktyczne: dwa silniki mogą wykonać tę samą pracę, ale ten o większej mocy zrobi to szybciej. Wniesienie ciężaru na piętro wymaga tej samej energii niezależnie od tempa — biegnąc, potrzebujemy jednak większej mocy niż idąc powoli. Stąd też jednostka koni mechanicznych w motoryzacji opisuje moc, a nie siłę czy zasięg pojazdu, co bywa mylone w potocznym rozumieniu parametrów samochodu.
Praca a energia
W = F · s — praca to iloczyn siły i drogi przebytej w jej kierunku.
Praca i energia mają tę samą jednostkę, dżul, bo opisują to samo z dwóch stron: praca to zmiana energii. Wykonanie pracy nad ciałem zwiększa jego energię, a ciało wykonujące pracę swoją energię traci.
Warto zauważyć, że utrzymywanie ciężaru bez ruchu nie jest pracą w sensie fizycznym — droga wynosi zero, więc praca też. Zmęczenie bierze się z pracy mięśni na poziomie komórkowym, nie z pracy mechanicznej nad przedmiotem.