ZŠ VNB I / 04 - Mechanická energie

Lekce I / 04 - Mechanická energie

Cíl lekce:

Žáci se dozvědí, co znamená být v pohybu nebo v klidu, jak se jednotlivé energie mohou vzájemně přeměňovat – to vše na příkladu katapultu, který si během dnešní lekce vyrobí. Dále pochopí fyzikální pojem energie, rozeznají polohovou a pohybovou energii a poznají jejich funkci a využití v každodenním životě.

Zeptejte se Vašich dětí:

Co je to energie?
Jaké druhy energie znáte?
Kdy má těleso pohybovou energii?
Kdy má těleso polohovou energii?
Může energie zmizet?
Jaké energie sledujete u vržení kuličky katapultem?
Kdy proběhlo předání a přeměna energií?
Znáte podobné stroje, které fungují na principu přeměny energie?

Energie

Energie je fyzikální veličina, která je charakterizována jako schopnost hmoty (látky, pole) konat práci. Mechanická energie soustavy je definovaná jako součet její potenciální energie a celkové kinetické energie všech jejich objektů.

Jako symbol energie se používá písmeno E. Jednotkou kinetické energie (a každého jiného typu energie) v soustavě SI je joule (J), pojmenovaný podle anglického vědce 18. století Jamese Prescotta Joula. Joule je definován jako práce, kterou vykoná síla 1 N působící po dráze 1 m.

Potenciální a kinetická energie
(Obrázek Car (beetle) od Chrisdesign, upraveno, [Public Domain], via openclipart)

Kinetická (pohybová) energie

Kinetická energie souvisí s pohybovým stavem částice či tělesa a vyjadřuje skutečnost, že pohybující se těleso je schopné konat práci jako důsledek svého pohybu, např. nárazem na okolní objekt. Pohybuje-li se těleso rychleji, má kinetickou energii větší. Je-li v klidu, je jeho kinetická energie nulová. Kinetická energie nemůže být nikdy záporná.

Potenciální (polohová, konfigurační) energie

Mění-li se konfigurace soustavy, mění se i její potenciální energie.

Jedním z typů potenciální energie je tíhová (gravitační) potenciální energie, která souvisí s konfigurací soustavy částic, které na sebe působí tíhovými (gravitačními) silami.

Př.: Při zvedání činky zvyšujeme vzdálenost mezi činkou a Zemí, měníme tak konfiguraci soustavy činka+Země a tím i její tíhovou potenciální energii.

Potenciální + kinetická energie (příklad 1)

Přeměna potenciální energie v kinetickou a naopak

(Zdroj: Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. (2000). Fyzika: Vysokoškolská učebnice obecné fyziky. VUT v Brně, VUTIUM. ISBN: 80-214-1869-9.)

Jiným typem potenciální energie je pružná potenciální energie, která souvisí se stavem napjatosti (protažení nebo stlačení) pružných těles, například pružin. Hlavní roli zde hraje pružná síla.

Př.: Stlačíme-li nebo napneme-li pružinu, měníme tak vzájemné polohy jejích závitů. Pružná síla působí proti takovým změnám a to vede ke zvýšení pružné potenciální energie pružiny.

Potenciální + kinetická energie (příklad 2)

Kostka, která je připevněná k pružině a je zpočátku v klidu v poloze 0, je uvedena do pohybu směrem vpravo:

(a) Při pohybu kostky vpravo koná pružná síla působící na kostku zápornou práci. Kinetická energie kostky klesá a potenciální energie pružiny roste. Kostka se zastaví v okamžiku, kdy je její kinetická energie nulová.

(b) Poté se kostka pohybuje zpět směrem k poloze 0, pružná síla koná kladnou práci, kinetická energie kostky roste za současného poklesu potenciální energie pružiny.

Přeměna potenciální energie v kinetickou a naopak
(Zdroj: Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. (2000). Fyzika: Vysokoškolská učebnice obecné fyziky. VUT v Brně, VUTIUM. ISBN: 80-214-1869-9.)

Zákon zachování energie

V izolované soustavě může docházet ke změnám všech typů energie, které lze soustavě přisoudit. Celková energie však zůstává zachována. (Energie nemůže záhadně zmizet ani se objevovat; nelze ji vytvořit ani zničit.)

Není-li soustava izolovaná, dochází vlivem působení vnějších sil ke změnám její celkové energie.

Př.: Kyvadlo – koná kmitavý pohyb. Během jedné periody se hodnoty kinetické a potenciální energie soustavy kyvadlo + Země spojitě mění, ale její celková mechanická energie zůstává zachována (celková energie se spojitě „přelévá“ z jedné formy na druhou – potenciální v kinetickou a naopak).

Přeměna energie

Energie objektu má jednu přirozenou vlastnost – mění se při interakci s okolím. Lze také očekávat, že se bude měnit i energie okolí. Hovoříme tedy o výměně/přenosu energie mezi objektem a jeho okolím. Přenos energie může být způsoben silovým působením (práce) nebo tepelnou výměnou.

Působíme-li na těleso určitou silou tak, že velikost jeho rychlosti přitom roste, roste i jeho kinetická energie. A naopak, jestliže se těleso vlivem výsledné síly zpomaluje, klesá i jeho kinetická energie.

Katapult

Katapult je starověký a středověký válečný stroj využívající torzního momentu zkroucených lan (z lidských vlasů nebo koňských žíní) a šlach k výstřelu obvykle kamenů nebo jiných předmětů (smůla, hořící dehet, fekálie), které mohly způsobit nějakou škodu. Velké katapulty vrhaly střely o váze 20-25 kg na vzdálenost 400-700 metrů, vážily 4 tuny a napínaly je 4 muži. Bývaly umístěny na vyvýšeném místě nebo na hradních věžích a byly používány při obléhání měst, pevností a hradů za účelem zboření nebo poškození hradeb a umožnění proniknutí útočícího vojska.

Katapulty jsou založeny na principu přeměny potenciální energie pružnosti na energii kinetickou katapultovaného tělesa.

Katapult
(Obrázek Catapult weapon launch hurl od Nemo[Public domain], via Pixabay)

Pokud vás téma zaujalo a chcete se dozvědět více: