Fizika 7 - 4.5 Pretvorbe energije

Na početku...

Ima li djevojčica neku energiju dok se giba? Koju energiju ima kad se zaustavi na vrhu brda? Zašto je dobro da djevojčica pojede nešto prije nego što ode na dulju vožnju biciklom?

Energija oko nas nalazi se u različitim oblicima. Energija se može pohraniti u tijelima, može prijeći s tijela na tijelo i pretvoriti se iz jednog oblika u drugi.

Primjer 1.

Na animaciji je prikazana pretvorba energije. Na vrhu staze za skateboard dječak ima najveću gravitacijsku potencijalnu energiju jer se nalazi na najvišoj visini. Spuštanjem niz stazu njegova gravitacijska potencijalna energija pretvara se u kinetičku energiju. Njegova kinetička energija najveća je na dnu staze i tu je najbrži, a gravitacijska potencijalna energija u toj mu je točki najmanja.

Dok se ponovno penje uz stazu, brzina mu se smanjuje, a time se smanjuje i kinetička energija. Gravitacijska potencijalna energija mu se povećava.

Hoće li se dječak zaustaviti? Zašto? Je li dio energije "utrošen" za zagrijavanje kotača skateboarda, podloge i okoline?

Zbog trenja kotača o podlogu te skateboarda i dječaka o čestice zraka dio kinetičke energije pretvara se u energiju zbog koje su se kotači, podloga i okolina zagrijali.

Primjer 2.

Jeste li ikad skakali po trampolinu? Kad ćete više odskočiti? Koje pretvorbe energije možete uočiti u igri djece na trampolinu?

Na početku igre Teo skače na trampolin s neke visine i ima gravitacijsku potencijalnu energiju. Kad je skočio, njegova gravitacijska potencijalna energija pretvorila se u njegovu kinetičku energiju. Kad Teo doskoči na trampolin, njegova kinetička energija pretvara se u elastičnu potencijalnu energiju trampolina te se platno sprave rasteže.

Sad je u platnu pohranjena elastična potencijalna energija. Platno se želi vratiti u prvobitni oblik te predaje Teu energiju koja postupno prelazi u njegovu kinetičku energiju, koja se zatim pretvara u gravitacijsku potencijalnu energiju. Teo nakon toga ponovno pada na trampolin i tako sve dok ima dovoljno energije za to da odskoči od trampolina, jer se dio energije predaje okolini, trampolinu i ostaloj djeci za zagrijavanje.

Primjer 3.

Pretvorbe energije možemo uočiti u mnogim sportovima, kao što su gimnastika, atletika, biciklizam, skijanje, jedrenje itd.

Hrvatski rekord u skoku s motkom u muškoj kategoriji iznosi $5,75 m .$ Taj rekord drži atletičar Ivan Horvat. Koje pretvorbe energije možete uočiti pri skoku s motkom?

Primjer 4.

Izvor: „Sara Kolak“, autor Marin Sarec, CC BY-SA 4.0. http://net.hr/sport/oi-2016/komentar-sara-kolak-nije-zeljela-cekati-svoje-olimpijske-igre-uzela-je-zlato-odmah/ https://en.wikipedia.org/wiki/Sara_Kolak#/media/File:Sara_Kolak.jpg Slika je uvećana i izrezana (CC BY-SA 4.0).

Sara Kolak olimpijska je pobjednica u bacanju koplja. Koje pretvorbe energije prepoznajemo pri bacanju koplja?

U svim je primjerima ukupna energija nepromijenjena, tj. sačuvana. Energija ne može nestati ili nastati ni iz čega, ona može prelaziti s tijela na tijelo, može prelaziti iz jednog oblika u drugi te se može pohraniti. To opisuje jedan od temeljnih zakona u prirodi, koji se zove zakon o očuvanju energije.

Kinetičku energiju, gravitacijsku potencijalnu energiju i elastičnu potencijalnu energiju jednim imenom nazivamo mehanička energija.

Zakon očuvanja mehaničke energije možemo iskazati izrazom $E_{u} = E_{k} + E_{g p} + E_{e p,}$ pri čemu je ukupna energija jednaka zbroju kinetičke energije i potencijalnih energija.

Taj zakon vrijedi kad nema pretvaranja mehaničke energije u druge oblike. To vrijedi za izolirane sustave koji ne izmjenjuju energiju s okolinom.

Primjenjujemo ga u primjerima u kojima zanemarujemo rad potreban za svladavanje sile trenja, jer je on vrlo malen.

Taj zakon možemo izreći i na sljedeći način: energiju ne možemo uništiti ili ni iz čega stvoriti.

Promotrimo zakon očuvanja energije na primjeru lopte

Lopta mase $m$ koja se nalazi na visini $h$ ima određenu gravitacijsku potencijalnu energiju. U položaju 1 gravitacijsku potencijalnu energiju računamo s pomoću formule $E_{g p} = m \cdot g \cdot h.$ U tom položaju lopta nema kinetičku energiju jer miruje i nema brzinu.

Ukupna energija lopte jednaka je zbroju kinetičke i potencijalne energije.

$E_{u k} = E_{g p 1} + E_{k 2}$

$E_{k 1} = 0$

$E_{u k} = E_{g p 1}$

Kad ispustimo loptu iz ruke, ona pada te se njezina gravitacijska potencijalna energija smanjuje, a kinetička energija raste. Zbroj kinetičke i gravitacijske potencijalne energije u bilo kojem slučaju je stalan.

$E_{u k} = E_{k 2} + E_{g p 2}$

Trenutak prije udara gravitacijska potencijalna energija koju je lopta imala na visini potpuno se pretvorila u kinetičku energiju lopte.

$E_{u k} = E_{k 3} + E_{g p 3}$

$E_{g p 3} = 0$

$E_{u k} = E_{k 3}$

Primjer 5.

Teo se nalazi na balkonu na 3. katu zgrade i drži košarkašku loptu mase $600 g$ na visini od $10 m$ od tla.

Izračunajte gravitacijsku potencijalnu energiju lopte.

Teo je bacio košarkašku loptu s balkona. Kolika je kinetička energija lopte trenutak prije njezina udara u tlo?

Kolike su kinetička energija i gravitacijska potencijalna energija lopte koju je Teo bacio s balkona kad se lopta nalazi $2 m$ iznad tla?

$m = 600 g = 0,6 kg$

$h = 10 m$

$E_{g p} = m \cdot g \cdot h$

$E_{g p} = 0,6 kg \cdot 10 \frac{N}{kg} \cdot 10 m$

$E_{g p} = 60 J$
$E_{k} = E_{g p} = 60 J$
$h = 2 m$

$E_{u} = 60 J$

$E_{gp} = m \cdot g \cdot h = 0,6 kg \cdot 10 \frac{N}{kg} \cdot 2 m = 12 J$

$E_{k} = 60 J - 12 J = 48 J$

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 1.

Košarkašku loptu mase $600 g$ ispustili smo s visine od $1,8 m$ . Odskočila je na visinu od $1,2 m$ . Koliko je energije lopta predala tlu? Pretpostavljamo da se ni okolina ni lopta nisu zagrijale.

$m = 600 g = 0,6 kg$

$h_{1} = 1,8 m$

$h_{2} = 1,2 m$

$Δ E_{g p} = ?$

$Δ h = h_{1} - h_{2} = 1,8 m - 1,2 m = 0,6 m$

$Δ E_{g p} = m \cdot g \cdot Δ h$

$Δ E_{g p} = 0,6 kg \cdot 10 \frac{N}{kg} \cdot 0,6 m = 3,6 J$

Lopta je predala tlu $3,6 J$ energije.

Zadatak 2.

Koliku kinetičku energiju postiže kamenčić pri izbacivanju ako se guma praćke rastegnula za $20 cm,$ a konstanta elastičnosti gume iznosi $200 N/m$ .

$E_{k} = 8 J$

Zadatak 3.

Elastična opruga ima masu $20 g .$ Kad oprugu pritisnemo o tlo i naglo pustimo, ona odskoči do visine od $140 cm$ . Kolika joj je gravitacijska potencijalna energija?

$E_{g p} = 0,28 J$

Zatvori

Kolekcija zadataka 2

Zadatak 4.

Voda pada s visine od $30$ metara. Kolika je kinetička energija $2 m^{3}$ vode trenutak prije nego što padne na dno?

$E_{k} = 600 000 J$

Zadatak 5.

Kolica s oprugom konstante elastičnosti $1 200 N/m$ pritisnemo o zid i naglo pustimo. Prilikom kretanja kolica su postigla kinetičku energiju od $1,5 J .$ Za koliko se stisnula opruga prilikom pritiskanja o zid?

$Δ l = 5 cm$

Zatvori

Kutak za znatiželjne

Objesite uteg mase $20$ grama na stalak tako da ga koncem zavežete i dobijete njihalo. Uz uteg postavite drveni kvadar i izmjerite mu dimenzije. Uteg izvedite iz početnog položaja i u nekoliko mjerenja istražite kolika je minimalna energija potrebna da se kvadar prevrne.

$m$
$Δ l$
$F$
$G$
$E$
p

$kg$
$m$
$N$
$J$
$Pa$

4.5 Pretvorbe energije

Na početku...

Promotrimo zakon očuvanja energije na primjeru lopte

Kolekcija zadataka 1

Zadatak 1.

Zadatak 2.

Zadatak 3.

Kolekcija zadataka 2

Zadatak 4.

Zadatak 5.

Kutak za znatiželjne

...i na kraju

MOJE ZNANJE

Uspješno ste usvojili sve odgojno-obrazovne ishode:

Potrudite se još malo kako biste bolje usvojili sljedeće odgojno-obrazovne ishode:

Trebali biste ponovno proći sljedeće jedinice:

4.6 Rad