Očuvanje energije
Energija ne nestaje kada se gibanje uspori ili se sustav zagrije. Mijenja oblik ili prelazi granicu odabranog sustava. Ispravna primjena zakona očuvanja energije zato počinje izborom sustava i određivanjem koji prijenosi — rad, toplina ili tok tvari — prelaze njegovu granicu.
Bilanca ovisi o granici sustava
Za izoliran sustav ukupna energija ostaje konstantna: ΔE_total = 0. Za sustav s prijenosom preko granice promjena energije jednaka je dovedenoj energiji minus odvedena energija.
Zato se ne smije automatski pisati K + U = konst. To pojednostavljenje vrijedi samo kada mehanički oblici obuhvaćaju cijeli važan proces i energija ne prelazi u druge oblike.
Kinetička energija i teorem rada
Translacijska kinetička energija je K = 1/2 mv². Rad rezultantne sile mijenja kinetičku energiju tijela: W_tot = ΔK. To je drukčiji, ali ekvivalentan zapis posljedica drugog Newtonova zakona.
Rad može biti pozitivan ili negativan. Sila u smjeru pomaka povećava K, a suprotna sila je može smanjiti. Sila okomita na trenutačni pomak ima nultu trenutačnu snagu.
Kalkulator mehaničke energije
Potencijalna energija konzervativnih sila
Za konzervativnu silu može se definirati potencijalna energija tako da W_cons = −ΔU. Blizu Zemljine površine U_g ≈ mgh, a za oprugu U_s = 1/2 kx².
Nulta razina U proizvoljna je; fizikalno su važne razlike. Ako djeluju samo konzervativne sile, zbroj K + U ostaje konstantan.
Trenje ne uništava energiju
Trenje može smanjiti mehaničku energiju K + U, ali ne krši zakon očuvanja. Energija prelazi u unutarnju energiju površina, deformacije, zvuk i druge stupnjeve slobode.
Ako zagrijavanje uključimo u bilancu, ukupna energija i dalje se čuva. Izraz „izgubljena energija“ obično znači samo da više nije u željenom mehaničkom obliku.
Snaga i učinkovitost druge su veličine
Snaga opisuje brzinu prijenosa energije: P = dE/dt, pri stalnoj brzini prijenosa P = E/t. Dva uređaja mogu obaviti isti rad, ali snažniji će ga obaviti brže.
Učinkovitost η = E_useful/E_input određuje udio ulazne energije koji prelazi u odabrani korisni oblik. Ostatak ne nestaje, nego prelazi u druge oblike, često u unutarnju energiju okoline.
Postupak rješavanja
Najprije odaberite početno i završno stanje te granicu sustava. Zapišite oblike energije u oba stanja i prijenose preko granice. Tek zatim jednadžbu pojednostavite, primjerice na mgh = 1/2 mv².
Tako se izbjegava pogreška umetanja svih poznatih formula bez fizikalnog razloga. Bilanca mora proizlaziti iz modela sustava.
Riješeni primjeri
1. Slobodni pad bez otpora
Rješenje
Ako tijelo padne za 5,0 m bez otpora, smanjenje mgh jednako je povećanju kinetičke energije.
2. Trenje
Rješenje
Pad K + U pri trenju ne znači uništenje energije; raste uglavnom unutarnja energija.
3. Snaga
Rješenje
Uređaj prenese 6000 J u 3,0 s. Prosječna snaga je 2000 W.