TEMAT; „SIŁA, PRACA, ENERGIA, MOC, SPRAWNOŚĆ”

SIŁA

W jakich przypadkach możemy mówić o sile? Odpowiedź na to pytanie nie jest prosta. Dlatego podejdziemy do problemu trochę na raty. Na początek trzeba trochę porozmawiać o sytuacjach w których pojawia się siła. Do tego, aby w jakiejś sytuacji można było mówić o sile, musimy mieć:  przynajmniej dwa ciała, pomiędzy tymi ciałami musi istnieć oddziaływanie. Oddziaływania mogą być różne i w związku z tymi siły z nimi związane tez mogą być różne – np.; siły elektryczne, siły magnetyczne, siły grawitacyjne, siły sprężyste, siły tarcia, siły nacisku, siły ciężkości, siły wyporu i inne.

Oddziaływania powodują, że jedne ciała mogą wpływać na inne ciała (i nawzajem, ponieważ nie można wpływać na coś bez doznawania reakcji z tego powodu).
Pojedyncze ciało, choćby nie wiem jak wielkie i nawet bardzo szybko się poruszające nie "stanowi" jeszcze siły - może ono mieć duży pęd, dużą prędkość, wreszcie w stosownej sytuacji może kiedyś później zadziałać dużą siłą na inne ciało, ale dopóki nie ma ono na co działać - dotąd siły w tej sytuacji nie ma.

Siła jest wielkością która zmienia stan ruchu ciała (a więc zmienia pęd i prędkość). Możemy to zaobserwować wtedy, gdy ciało jest nie przymocowane i może się poruszać pod wpływem siły. Jak z powyższego stwierdzenia wynika, aby siłę rozpoznać, trzeba zaobserwować jakąś modyfikację: kierunku prędkości, wartości prędkości.

Bez siły prędkość pozostaje niezmienna - czyli ciało:

1. pozostaje w spoczynku (jeśli wcześniej w tym spoczynku było)
      lub

2. zachowuje swój poprzedni ruch (jeśli już wcześniej w ruchu było), czyli będzie poruszało się ruchem jednostajnym prostoliniowym.

Gdy działa siła gdy na ciało zaczyna działać niezrównoważona siła - ciało zmieni swój stan ruchu - zacznie przyspieszać, zwalniać, ew. zmieniać kierunek ruchu.

Definicja siły Siłę definiować wzorem można na dwa równoważne ("prawie" równoważne, bo jeśli uwzględnimy efekty teorii względności Einsteina, to może ujawnić się różnica między tymi definicjami) sposoby:

	z przyspieszenia, czyli z drugiej zasady dynamiki (patrz ew. -> przyspieszenie)
	z pędu (patrz ew. -> pęd)

Definicja siły z przyspieszenia (z II zasady dynamiki Newtona) wzór często stosowany przez naukowców, a przydatny też w szkole. Uwzględnia zjawiska teorii względności Einsteina i daje się łatwiej zastosować w teorii kwantów.

wzór skalarny wzór wektorowy

F = m∙a

Siła działająca na ciało o masie m związana z danym oddziaływaniem równa jest iloczynowi masy ciała i przyspieszenia nadawanemu ciału przez to oddziaływanie F = m∙a

Mówiąc inaczej siłę poznajemy po tym, że ciało tej sile poddane zaczyna zmieniać swoją prędkość (bo przyspieszenie jest miarą zmiany prędkości). Im większa siła działa, tym szybciej zmienia się prędkość. Np. duża siła w krótkim czasie rozpędza ciężki obiekt do dużych prędkości. Duża siła może też szybciej zatrzymać wielki rozpędzony obiekt.

W opisywanym wzorze na siłę mamy też masę. Ma to związek z faktem, że ta sama szybkość zmiany prędkości wymaga większej siły dla ciała ciężkiego (czyli o dużej masie) niż lekkiego.

Definicja siły z przyspieszenia jest najczęściej stosowana w szkole i w zwykłych zagadnieniach technicznych.

Definicja siły z pędu

wzór skalarny wzór wektorowy

Siła związana z jakimś oddziaływaniem jest równa szybkości zmiany pędu ciała wywołanej przez to oddziaływanie.

Inaczej mówiąc - duża siła potrafi zmienić pęd szybko, mniejszej sile ta sama zmiana pędu zajmie znacznie więcej czasu.

Siła jest miarą przyspieszenia nadawanego swobodnemu ciału lub Siła jest równa szybkości zmiany pędu.

PRACA MECHANICZNA jest wykonywana wtedy, gdy pod działaniem siły ciało jest przesuwane na pewną odległość.

Praca jest większa, gdy wykonuje ją większa siła lub gdy przesunięcie (droga) jest większe.
Wzór na pracę (oznaczaną literą W) z rysunku:

Niech siła F działa na ciało pod kątem α do kierunku ruchu ciała:

Po rozłożeniu siły F na składowe okazało się, iż pracę wykonuje tylko składowa F_X. Z rysunku:

Wykonana praca wynosi więc:

I to jest ostateczny wzór na pracę, gdzie α to kąt między wektorem przesunięcia s a wektorem działającej siły F.
Jednostką pracy w układzie SI jest dżul:

Jeden dżul jest to praca wykonana siłą jednego niutona na drodze jednego metra, przy czym siła ta działa w kierunku przesuwania ciała.

Rozpatrzmy poszczególne przypadki:

1. α = 0^o => cosα = 1
wektor siły ma zgodny zwrot ze zwrotem wektora przesunięcia:

2. 0^o < α < 90^o => cosα > 0
wektor siły tworzy z wektorem przesunięcia kąt ostry:

3. α = 90^o => cosα = 0
wektory siły i przesunięcia są do siebie prostopadłe:

4. 90^o < α < 180^o => cosα < 0
wektor siły tworzy z wektorem przesunięcia kąt rozwarty:

5. α = 180^o => cosα = -1
wektor siły ma zwrot przeciwny do zwrotu wektora przesunięcia:

W tym przypadku siła hamuje ciało i wykonuje pracę ujemną.

Uwaga! W całym tym dziale zakładamy, że wartość siły F jest stała.

MOC P to wielkość fizyczną, której miarą jest iloraz wykonanej pracy do czasu, w którym ta praca została wykonana.

Jednostką mocy jest 1 wat (oznaczany literą _W - nie mylić jednostki z oznaczeniem pracy).

Jeden wat to moc urządzenia, które pracę jednego dżula wykonuje w ciągu jednej sekundy.
Moc chwilowa to granica, do której zmierza stosunek pracy do czasu, gdy czas wykonywania pracy zmierza do zera.

ENERGIA

Jeżeli ciało ma zdolność do wykonywania pracy, to mówimy, że ciało ma energię, którą mierzymy za pomocą pracy, jaką ciało może wykonać. Ogólnie:

Energia to wielkość fizyczna, zgromadzona w danym ciele, która wyraża się w jednostkach pracy.

Energia potencjalna ciała to energia, która zależy od jego położenia w stosunku do innych ciał.

Powiedzmy, że mamy jakieś ciało o masie m znajdujące się na wysokości h nad określonym poziomem, np. nad podłogą pomieszczenia, w którym wykonujemy doświadczenie. Ciało to ma energię, bo jeżeli pozwolimy mu spadać swobodnie z tej wysokości, to wykona ono pracę za pomocą siły ciężkości Q = mg na drodze h. Zatem nasz wzór na pracę:

Ponieważ wektor siły ciężkości i wektor przesunięcia mają ten sam kierunek i zwrot, to α = 0^o, a stąd cos 0^o = 1, zatem (podstawiamy naszą siłę ciężkości i wysokość):

Zatem ciało znajdujące się na wysokości h ma zapas energii równy mgh. Ten zapas energii nazywamy energią potencjalną, która w tym przypadku wyraża cię wzorem:
Dla niedużych różnic wysokości nad Ziemią przyspieszenie g nie zmienia się i siła ciężkości działająca na ciało pozostaje stała na całej drodze h. Dlatego ten wzór na energię potencjalną ciała można stosować tylko dla małych wysokości h.
Pamiętajmy, że ciało będące na wysokości h = 0 (czyli na poziomie, względem którego rozpatrujemy spadek) nie posiada energii potencjalnej (bo wzór się zeruje).

SPRAWNOŚĆ określa zdolność procesu, urządzenia, maszyny, silnika, do przetworzenia jednego rodzaju (nośnika) w inny rodzaj (nośnik) energii.

We wzorze tym:
η — sprawność
E_u — energia użyteczna otrzymana z urządzenia, na przykład praca mechaniczna produkowana przez silnik
E_d — energia dostarczona do urządzenia, na przykład energia elektryczna zużyta przez silnik lub energia chemiczna w paliwie dostarczonym do silnika.

W teorii sprawność nigdy nie przekracza 100%, ponieważ z urządzenia nigdy nie wydobędziemy większej ilości energii, niż dostarczyliśmy. Wtedy mielibyśmy do czynienia z tzw. perpetuum mobile.

Tymczasem w zagadnieniach techniki cieplnej i ogrzewania niekiedy zdarza się, że kotły osiągają sprawność większą niż 100%. Wynika to ze sposobu obliczania sprawności cieplnej kotła. W przypadku tych urządzeń jako energię dostarczoną bierzemy ilość spalonego paliwa mnożoną przez wartość opałową, a więc nie całą energię zawartą w paliwie. Ponieważ te urządzenia są w stanie odzyskać ciepło przez skroplenie spalin, są w stanie wykorzystać więcej energii niż wynosi wartość opałowa.

W zagadnieniach produkcji gazu generatorowego, pojawiają się różne rozumienia pojęcia sprawności. Inaczej wygląda ona dla tego samego generatora gdy gaz zasila silnik spalinowy, inaczej gdy holzgas jest spalany w kotle czy palniku. Wynika to z różnicy temperatur — gaz dla silnika musi być chłodny, gaz dla palnika — niekoniecznie. Stąd sprawność przemiany paliwa w gaz będzie wyższa dla gazu gorącego, gdy jako ilość energii otrzymanej z przemiany weźmiemy wartość opałową gazu plus jego ciepło. Gdy gaz musi być schłodzony, ciepło tracimy, zatem sprawność będzie niższa.