Energia jäävus

Energia ei teki ega kao, vaid kandub ja muundub. Mehaanikas kasutatakse Ek = ½mv² ning potentsiaalse energia vorme, näiteks Ep = mgh. Mehaaniline energia Ek + Ep säilib ainult siis, kui mittesäilivate jõudude netotöö puudub.

Põhiseos: Ek = ½mv² ; U = mgh ; Wnet = ΔEk

Visuaalne mudel

EkU↔Ek = ½mv² ; U = mgh ; Wnet = ΔEk

Skeem on mõtteline; mõõtkavad ei ole sõnasõnalised.

Interaktiivne arvutus

Töö ja kineetiline energia

Töö W = ∫F⃗·d r⃗ seostub kineetilise energia muutusega Wnet = ΔEk. Töö-energia teoreem kehtib ka siis, kui jõud pole säilivad. Töö SI ühik on 1 J = 1 N·m.

Iga rakenduse alguses tasub määratleda süsteem, alg- ja lõppolek ning ühikud. Mõõtmete kooskõla on tugev kontroll: liita saab ainult sama mõõtmega suurusi ning märgi valik peab vastama kokkulepitud füüsikalisele suunale. Nii saab vea avastada juba enne arvulise tulemuse hindamist.

Potentsiaalne energia

Säiliva jõu jaoks saab defineerida U nii, et Wcons = −ΔU. Maa pinna lähedal U = mgh ja ideaalsel vedrul U = ½kx². Nulltase on valikuline; füüsikaliselt määravad muutused ΔU.

Valem ei asenda füüsikalist mudelit. Enne arvude sisestamist tuleb kontrollida, millised muutujad on püsivad, millised vastastikmõjud kuuluvad süsteemi ja kas kasutatav suurus on skalaar või vektor. Matemaatiliselt korrektne tehe võib muidu kirjeldada valet füüsikalist olukorda.

Hõõre ja siseenergia

Hõõrde korral võib Ek + Ep väheneda, kuid energia ei kao. See muutub peamiselt siseenergiaks ja soojuseks. Süsteemi piiride valik määrab, kas sama energiakanne ilmub arvutuses töö või sisemise muundumisena.

Katsetes saadakse suurused lõpliku täpsusega mõõtmistest. Mõõteriista valik, kalibreerimine, soojus- või hõõrdekaod ja keskkonnatingimused mõjutavad tulemust. Rohkem komakohti kui lähteandmed õigustavad ei suurenda mõõtmise tegelikku informatsiooni.

Võimsus

Võimsus on energia ülekande kiirus P = dE/dt ja ühik watt. Translatsioonilise liikumise korral on jõu hetkeline võimsus P = F⃗·v⃗. Sama töö lühema ajaga tähendab suuremat võimsust.

Igal lihtsal mudelil on kehtivuspiirkond. Tasub küsida, milline eeldus laguneb esimesena väga suure rõhu, kiiruse, sügavuse, temperatuuri või amplituudi korral. Piiride kirjeldamine kuulub mudeli juurde sama loomulikult nagu põhivõrrandi kasutamine.

Energiabilanss

Energiameetod seob sageli alg- ja lõppoleku ilma kogu ajalisest liikumisest võrrandit lahendamata. Kasutegur η = Eutile/Einput on alla ühe, sest osa energiast läheb soovimatutesse vormidesse, mitte ei hävi.

Lõpuks kontrollitakse suurusjärku ja piirjuhtu. Kui mõni parameeter nullida või kahekordistada, peab ennustatud muutus sobima kirjeldatud mehhanismiga. Selline kontroll paljastab sageli vale märgi, ühiku või võrdelisuse enne keerukamat arvutust.

Ülesanded

Ülesanne 1

Keha langeb õhutakistuseta kõrguselt 5,0 m. Leia kiirus enne maad.

Lahendus: v = √(2gh) ≈ 9,90 m·s⁻¹.

Ülesanne 2

Hõõrde töö on −30 J. Kuidas muutub mehaaniline energia?

Lahendus: Väheneb 30 J võrra.

Ülesanne 3

600 J kantakse üle 3,0 s jooksul. Leia keskmine võimsus.

Lahendus: 200 W.