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:

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: