10 · PASCAL PHYSICS LAB

Έργο,
Ενέργεια & Ισχύς

Τίποτα δεν χάνεται — η ενέργεια αλλάζει μορφή.

01 · ΕΡΓΟ ΔΥΝΑΜΗΣ

Η δύναμη δεν αρκεί — πρέπει να μετακινήσει

Τράβηξε το κιβώτιο και άλλαξε τη γωνία. Το έργο μετρά πόση ενέργεια μεταφέρει η δύναμη μέσω της μετατόπισης.

Fs = 3 m
W = F · s · συνθ = 40 · 3 · συν0°120 J
Η δύναμη μεταφέρει ενέργεια στο κιβώτιο.

Έργο δεν σημαίνει απλώς «κουράστηκα». Στη Φυσική απαιτείται συνιστώσα δύναμης προς την κατεύθυνση της μετατόπισης. Μονάδα: joule (J).

02 · ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Η ταχύτητα μετρά διπλά

Άλλαξε μάζα και ταχύτητα πάνω σε μια πραγματική δοκιμή φρεναρίσματος. Πρόσεξε ποια μεταβλητή κάνει τη μεγαλύτερη διαφορά.

Αυτοκίνητο σε ελεγχόμενη δοκιμή φρεναρίσματος
ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΠΟΥ ΠΡΕΠΕΙ ΝΑ ΜΕΤΑΦΕΡΘΕΙ ΣΤΑ ΦΡΕΝΑ ΚΑΙ ΣΤΟΝ ΔΡΟΜΟ
ΤΑΧΥΤΗΤΑ5 m/s
ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ250 J
Eκ = ½mυ² = ½ · 20 · 5²250 J
Διπλασίασε την ταχύτητα: η κινητική ενέργεια τετραπλασιάζεται.

Στο φρενάρισμα αυτή η ενέργεια μεταφέρεται κυρίως σε θερμική ενέργεια στα φρένα, στα ελαστικά, στον δρόμο και στον αέρα. Γι’ αυτό η ταχύτητα έχει τόσο μεγάλη σημασία.

03 · ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ

Ύψος και παραμόρφωση: δύο τρόποι αποθήκευσης

Το άλμα δείχνει τη βαρυτική δυναμική ενέργεια. Το ελατήριο δείχνει ότι ενέργεια μπορεί να αποθηκευτεί και μέσω παραμόρφωσης.

Ο Pascal σε άλμα δίπλα σε κλίμακα ύψους
h = 4 m
Πραγματικό εργαστηριακό εκκρεμές και κατακόρυφο ελατήριο
Το ελατήριο παραμορφώνεται περισσότερο όταν αυξάνεται το φορτίο.
Eδ,βαρ = mgh = 12 · 9,81 · 4471 J
Το μηδενικό ύψος το διαλέγουμε — οι διαφορές ενέργειας είναι αυτές που μετρούν.

Στο άλμα, η χημική ενέργεια του σώματος μετατρέπεται σε κινητική και έπειτα σε βαρυτική δυναμική. Στο ελατήριο, η παραμόρφωση αποθηκεύει ελαστική δυναμική ενέργεια.

04 · ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ

Το roller coaster είναι ένας ζωντανός ενεργειακός χάρτης

Άφησε το πραγματικό βαγόνι από ψηλά. Παρακολούθησε τη δυναμική ενέργεια να μετατρέπεται σε κινητική — και ένα μέρος της σε θερμική λόγω τριβής.

Πραγματικό roller coaster σε μεγάλη κάθοδο και δεύτερη ανηφόρα
EδEκΘερμ.
ΑΡΧΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ883 JΤΑΧΥΤΗΤΑ ΧΑΜΗΛΑ9.1 m/s
Η συνολική ενέργεια διατηρείται· η μηχανική ενέργεια όχι πάντα.

Στην κορυφή κυριαρχεί η Eδ. Στην κοιλάδα κυριαρχεί η Eκ. Αν υπάρχει τριβή, το βαγόνι δεν μπορεί να ανέβει ξανά στο ίδιο ύψος χωρίς εξωτερική παροχή ενέργειας.

05 · ΙΣΧΥΣ

Το ίδιο αποτέλεσμα, σε διαφορετικό χρόνο

Δύο Pascal ανεβάζουν το ίδιο φορτίο στο ίδιο ύψος. Ο ένας το ολοκληρώνει γρηγορότερα: κάνει το ίδιο έργο, αλλά έχει μεγαλύτερη ισχύ.

P12s
P5s
ΙΔΙΟ ΕΡΓΟ1324 JΙΣΧΥΣ Α110 WΙΣΧΥΣ Β265 W
Ισχύς είναι ο ρυθμός μεταφοράς ενέργειας.

P = W/Δt. Το watt σημαίνει joule ανά δευτερόλεπτο. Περισσότερη ισχύς δεν σημαίνει απαραίτητα περισσότερο συνολικό έργο — μπορεί να σημαίνει το ίδιο έργο σε λιγότερο χρόνο.

06 · ΑΠΟΔΟΣΗ ΚΑΙ ΑΠΩΛΕΙΕΣ

Μπες μέσα σε μια πραγματική μηχανή

Η μηχανή κινεί τη γεννήτρια και η γεννήτρια ανάβει τη λάμπα. Μοίρασε την εισερχόμενη ενέργεια σε χρήσιμη έξοδο, θερμότητα και ήχο.

Μηχανή με κινούμενο έμβολο, σφόνδυλο, γεννήτρια και αναμμένη λάμπα
ΕΙΣΟΔΟΣ
500 J→ΛΑΜΠΑ
360 Jθερμότητα + ήχος: 140 J
η = Eχρήσιμη / Eεισόδου · 100%72%
«Απώλεια» δεν σημαίνει εξαφάνιση.

Το έμβολο, ο σφόνδυλος και η γεννήτρια μεταφέρουν ενέργεια βήμα-βήμα. Η χρήσιμη μορφή μειώνεται επειδή μέρος της ενέργειας μεταφέρεται στο περιβάλλον.

07 · Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΟΣ ΧΑΡΤΗΣ

Δες την ανταλλαγή στο εκκρεμές και στο ελατήριο

Τα πραγματικά όργανα επαναλαμβάνουν την ίδια ιστορία: αποθήκευση, κίνηση, νέα αποθήκευση — με μικρές μεταφορές ενέργειας στο περιβάλλον.

Εργαστηριακό εκκρεμές δίπλα σε κατακόρυφο ελατήριο
ΣΤΑ ΑΚΡΑ
περισσότερη δυναμικήΣΤΟ ΧΑΜΗΛΟΤΕΡΟ ΣΗΜΕΙΟ
περισσότερη κινητικήΣΤΟ ΕΛΑΤΗΡΙΟ
ελαστική δυναμική
ΘΕΣΗ / ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗmgh · ½kx²δυναμική ενέργεια
⇄
ΚΙΝΗΣΗ½mυ²κινητική ενέργεια
→
ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝQ + ήχοςσταδιακή διασπορά