1. Energi och arbete
L1
1.1 Energi
Energi definieras inom fysiken som en egenskap hos ett system som gör att systemet kan utföra arbete. Det finns olika former av energiÍž bland annat rörelse­ och lägesenergi, värmeenergi, strålningsenergi, elenergi och kärnenergi. Energi kan vara antingen bunden eller fri. Energiprincipen: ”Energi kan inte bildas eller förstöras, endast övergå från en form till en annan.” En minskning av en sorts energi åtföljs alltid av en ökning av en annan sorts energi!
1.2 Arbete, W
I fysiken är begreppet arbete noggrannt definierat.
Då en kraft påvekar en kropp och kroppen rör sig en viss sträcka i kraftens riktning säger man att kraften utfört ett arbete. Arbetets storlek fås som produkten av kraften och sträckan:
Kraften verkar i samma riktning som rörelsen.
(1)
Enheten för arbete är kraftens enhet gånger sträckans enhet, alltså Nm. Denna brukar benämnas joule, som förkortas J.
Om kraften inte är riktad åt samma håll som rörelsen är det bara den del av kraften som har samma riktning som utför arbete. Nu ges arbetets storlek istället av uttrycket
(2)
Kraftens komponent i rörelsens riktning utför arbetet.
Här är θ vinkeln mellan kraftens riktning och rörelsens riktning.
OBS! Om kraften och sträckan är motsatt riktade blir arbetet negativt! Friktion utför ofta sådant arbete ­ om ett föremål glider åt ett håll verkar friktionen åt motsatt håll.
Om kraften och sträckan är riktade vinkelrätt mot varandra utförs inget arbete! Ett exempel är en väska som förs över marken utan ändring i höjd.
1
Ex. 1
L1
Hur stort arbete utför kvinnan på lådan?
2
L1
Arbetets storlek genom grafisk bestämning
Vi kan också bestämma arbetets storlek om vi har en graf över hur kraften varierar med sträckan, dvs ett (x,F)­koordinatsystem. Vi kan då beräkna arbetet som arean (ytan) under grafen.
För att bestämma ytan kan man räkna rutorna.
Ex. 3
Uppskatta det arbete som kraften utför då föremålet flyttas 5 m.
3
1.3 Sambandet mellan arbete och energi
L1
Arbete som utförs på en kropp tillför energi åt kroppen. Denna energi kan sedan omvandlas till andra former av energi, eller användas till att låta kroppen utföra arbete.
Arbete är alltså ekvivalent med energiÍž energi och arbete har samma enhet, joule.
1.4 Effekt, P
Effekt är ett begrepp som anger hur mycket arbete som utförs på en viss tid, eller hur mycket energi som omvandlas på en viss tid.
Vi kan uttrycka effekt på olika sätt, beroende på om vi ser på arbete eller energiomvandling:
Arbetet som handen utför på bågen omvandlas och lagras i bågen.
(3)
Effekten har enheten J/s, vilket oftare kallas watt, W.
Pråmen utför ett arbete på skeppet.
Vi kan ange energiförändringens storlek med hjälp av effekten. Genom att omvandla (3) fås
(4)
Vi kan alltså ange energi som effekt gånger tid. Ett exempel är enheten kilowattimme, kWh, som ofta används för att beskriva mängden elenergi som förbrukas i ett hem.
Pråmens effekt kan räknas ut.
Om kraften utför arbete på ett föremål som på grund av kraftens arbete rör sig med en jämn hastighet, kan vi även skriva effekten i formen
(5)
4
Ex. 4
L1
Pråmen drar stockarna med en kraft av 2.0 * 105 N. den rör sig 1,0 km på 15 minuter. Vad är dess genomsnittliga effekt?
5
L1
1.5 Verkningsgrad η
Verkningsgraden anger hur stor andel som kommer "till nytta" av det arbete eller den energi som sätts in i ett system, dvs. omvandlas till energi man eftersträvar. Verkningsgradens symbol är η. Vi får ett uttryck för verkningsgraden:
(5)
Verkningsgraden är alltid ett tal mindre än ett, eftersom man alltid måste sätta in mer arbete (energi) i ett system än man får ut ur det!
Vi kan också skriva verkningsgraden med hjälp av energi och effekt:
(6)
Läs sid. 8­14 Läs uppgifter 1­5, 1­7, 1­9, 1­14, 1­16, 1­18
6
Bilagor
bunnydea.avi
