Zachovanie energie
Energia nezmizne, keď sa pohyb spomalí alebo sa systém zahreje. Mení formu alebo prechádza cez hranicu zvoleného systému. Správne použitie zákona zachovania energie preto začína voľbou systému a určením, ktoré prenosy — práca, teplo alebo tok látky — jeho hranicu prekračujú.
Bilancia závisí od hranice systému
Pre izolovaný systém zostáva celková energia konštantná: ΔE_total = 0. Pre systém s prenosom cez hranicu sa zmena jeho energie rovná privedenej energii mínus odvedená energia.
Nemožno preto automaticky písať K + U = konšt. Toto zjednodušenie platí iba vtedy, keď mechanické formy zahŕňajú celý relevantný dej a energia neprechádza do iných foriem.
Kinetická energia a veta o práci
Translačná kinetická energia je K = 1/2 mv². Práca výslednej sily mení kinetickú energiu telesa: W_tot = ΔK. Ide o iný, ekvivalentný spôsob vyjadrenia dôsledkov druhého Newtonovho zákona.
Práca môže byť kladná aj záporná. Sila v smere posunutia K zvyšuje, sila proti posunutiu ju môže znižovať. Sila kolmá na okamžitý pohyb má nulový okamžitý výkon.
Kalkulačka mechanickej energie
Potenciálna energia konzervatívnych síl
Pre konzervatívnu silu možno zaviesť potenciálnu energiu tak, že W_cons = −ΔU. Blízko povrchu Zeme U_g ≈ mgh a pre pružinu U_s = 1/2 kx².
Nulová úroveň U je voliteľná; fyzikálny význam majú rozdiely. Ak pôsobia iba konzervatívne sily, súčet K + U zostáva konštantný.
Trenie energiu neničí
Trenie môže zmenšiť mechanickú energiu K + U, ale neporušuje zákon zachovania. Energia prechádza do vnútornej energie povrchov, deformácií, zvuku a ďalších stupňov voľnosti.
Ak zahrnieme ohrev do bilancie, celková energia sa stále zachováva. Výraz „stratená energia“ obyčajne znamená len to, že už nie je v požadovanej mechanickej forme.
Výkon a účinnosť sú iné veličiny
Výkon opisuje rýchlosť prenosu energie: P = dE/dt, pri konštantnom tempe P = E/t. Dve zariadenia môžu vykonať rovnakú prácu, ale výkonnejšie ju vykoná rýchlejšie.
Účinnosť η = E_useful/E_input určuje podiel vstupnej energie prevedený do zvolenej užitočnej formy. Zvyšok nezmizne, ale prejde do iných foriem, často do vnútornej energie okolia.
Postup pri riešení úloh
Najprv zvoľte počiatočný a konečný stav a hranicu systému. Spíšte formy energie v oboch stavoch a prenosy cez hranicu. Až potom rovnicu zjednodušte, napríklad na mgh = 1/2 mv².
Tento postup bráni chybe, pri ktorej sa bez rozmyslu použijú všetky známe vzorce. Bilancia musí vychádzať z fyzikálneho modelu systému.
Vyriešené príklady
1. Voľný pád bez odporu
Riešenie
Ak teleso klesne o 5,0 m bez odporu, úbytok mgh sa rovná prírastku kinetickej energie.
2. Trenie
Riešenie
Pokles K + U pri trení neznamená zničenie energie; rastie najmä vnútorná energia.
3. Výkon
Riešenie
Zariadenie prenesie 6000 J za 3,0 s. Priemerný výkon je 2000 W.