1. Az energia és a munka

Mi az energia?

Környezetünkben mindig történik valami. Gondold végig, amikor az iskolába jössz, mi minden zajlik körülötted! Nézzük csak! Felébredsz, kimész a fürdőszobába, felkapcsolod a villanyt, láthatod hogyan folyik a víz a megnyitott csapból. Kinyitod az ablakot, kint fúj a szél és hordja a faleveleket. Elindulsz az iskolába, jönnek-mennek körülötted az emberek, rohannak az autók, röpködnek a madarak. Most is, amikor ezeket a sorokat olvasod, szemed ide-oda mozog a sorok mentén, szíved folyamatosan pumpálja az ereidben áramló vért, és ahogy levegőt veszel, mellkasod egyenletesen emelkedik és süllyed. Mindezek mozgatórugója az energia. Az energia hozza létre a változásokat környezetünkben és az egész világmindenségben. Energiára van szükséged, hogy mozogni tudjál, hogy megértsd ezeket a sorokat, hogy beszélgetni tudjunk. Energiára van szükségünk, hogy meleg és világos legyen az otthonunkban, hogy közlekedni tudjunk vagy közösen hallgassunk egy kis zenét.

A testeknek és mezőknek van olyan képessége, hogy más testeket melegíthetnek, megfeszíthetnek, sebességüket növelhetik, röviden állapotukat megváltoztathatják. Tehát kölcsönható, másként változtató képességel rendelkeznek. Ezt a tulajdonságot is egy mennyiséggel, az energiával jellemezzük. Amelyik testnek nagyobb az energiája az tudja nagyobb mértékben megváltoztatni egy másik test állapotát.

Az energia fogalmának meghatározására többféle definíció használatos. Itt egyet ismertetünk.

Az energia az anyagok azon képességének mértéke, amellyel megfelelő kölcsönhatásban más anyagokon változást képesek létrehozni.

A két definíció tulajdonképpen ugyanazt mondja ki. Utóbbi megfogalmazásban a változás igen különböző lehet. Az eldobott kő betörheti az ablakot, a vízesés forgásba hozza a turbina kereket, elektromos térben a töltéssel rendelkező részecskék mozgása megváltozik.

Az energia "önállóan", anyagtól függetlenül nem létezik, mindig hozzátartozik az anyaghoz, és fordítva, az anyagnak mindig van energiája.

Az energia skalármennyiség, azaz nincs iránya. A testek állapota, így energiája sokféle módon változhat, ezért többféle energiát különböztetünk meg. Pl. mozgási energiát, amikor a test mozog, azaz van sebessége, helyzeti energiát, amikor a test helye, helyzete miatt rendelkezik állapotváltoztató képességgel. A földön heverő kő nem képes a fejed állapotát megváltoztatni, ellenben az ablakpárkányról leeső kő rendelkezik ezzel a képességgel.

1.1. Írd a képek mellé melyik tartozik a mozgási, és melyik a helyzeti energiához!

 

A testek energiaváltozásai alapvetően két csoportra oszthatók aszerint, hogy milyen kölcsönhatás okozza az energiaváltozást.

1. mechanikai kölcsönhatás - pl. a test sebességét növelem ilyenkor a test mechanikai energiája változik
2. termikus kölcsönhatás - pl. a test hőmérsékletét növelem ilyenkor a test belső energiája, a test részecskéinek rendezetlen mozgása változik meg

1.2. Döntsd el, hogy az alábbi folyamatokban a testnek a termikus energiája vagy mechanikai energiája változik!
- felemelsz egy testet az asztalról
- szánkón húzod a tesód
- vizet melegítesz
- puha textilanyagot a talajhoz szorítva mozgatsz

Mechanikai energiáról akkor beszélünk, ha azok mechanikai mennyiségekkel (tömeg, sebesség, erő, elmozdulás stb.) fogalmazhatók meg. Termikus energia a test belső energiája. A következőkben főleg a mechanikai energia fajtákra fókuszálunk majd. Előtte azonban meg kell ismerkednünk a munka fogalmával.

„ Cégünk felállítja az Önök bányáiban a gőzgépeket, és viszonzásul csak annak a pénznek a harmadát kéri, amennyivel a működtetésükhöz szükséges szén kevesebbe kerül, mint az ugyanannyi munkát végző lovaknak szükséges széna.”

A bánya tulajdonosok képviselőivel folytatott tárgyalás során tisztázni kellett, hogy mit is értenek ugyanannyi munka alatt, egyáltalán mikor beszélhetnek munkavégzésről. Fizikai értelemben akkor beszélünk munkavégzésről, ha az változást eredményez a test állapotában. A munka az energiaközlés mértéke.

1.3. Melyik esetben történik fizikai értelemben munkavégzés?
- tartom a könyvet;
- emelem a könyvet;
- elgurítom a bowlinggolyót;

Akkor történik mechanikai munkavégzés, ha valamely test az erő hatására az erő irányába elmozdul, hiszen csak ekkor változtatja meg a test állapotát.

1.4. Mikor végzünk nagyobb munkát? Ha ugyanazt a testet emeljük kétszer, illetve háromszor olyan magasra?

A végzett munka arányos a megtett úttal.

1.5. Ha kisebb vagy, ha nagyobb terhet emelünk - azaz nagyobb erőt fejtsünk ki – ugyanolyan magasra?

A végzett munka arányos kifejtett erővel.

Kísérleti tapasztalatainkat egybevetve azt mondhatjuk, hogy a munka a testre ható erőtől és az erő irányába történő elmozdulástól függ. Ez a mondat egyben a munka kiszámítási módját is megadja. A munka mértékegysége a joule (J), egy angol származású fizikus-kémikus, James Prescott Joule tiszteletére. Miután a munka energiaváltozást idéz elő, ezért az energia mértékegysége is joule. A munka jele az angol work szó első betűje, a W.

1.6. Töltsd ki az alábbi táblázatot!

	energia	munka
definíció	Állapotváltoztató hatás mértéke	Az energia közlés egyik mértéke
kiszámítása	X	.
jele	.	.
mértékegysége	.	.
mennyiség fajtája	.	.

Érdekességek Pihenő felnőtt testében a szív minden percben 4,5 – 5,1 liter vért pumpál folyamatosan körforgásban a szervezetben. Az ember szíve naponta kb. 196 kJ, évente 71 540 kJ munkát végez. Vízszintes úttesten járva is elfáradunk. Munkavégzésünk abból adódik, hogy miközben lépkedünk, testünk emelkedik, majd süllyed. Az ismételt felemeléshez munkát kell végezni.

I. Mérjétek meg könnyen mozgó kiskocsi súlyát, majd emeljétek meg a kiskocsit 50 cm magasra! Ezután számítsátok ki a végzett munkát!
II. Állítsatok össze lejtőt könyvekből! A lejtő hajlásszöge kb. 30^o legyen! Húzzátok fel ezután a kiskocsit a lejtővel párhuzamosan tartott erőmérővel 50 cm magasra! Számítsátok ki a végzett munkát!

energia, skalármennyiség, mozgási energia, helyzeti energia, mechanikai kölcsönhatás, termikus kölcsönhatás, mechanikai energia, termikus energia, munka