3. Rugalmas energia, helyzeti energia

3.1. Írd le, hogy mit látsz a képen? Ki/mi végez munkát? Kinek/minek változik meg az állapota, vagyis az energiája?

A sportoló munkát végez a rugón, amit a rugó energia formájában tárol. Így amikor megszüntetjük az erőhatást a rugó ezt az energiát képes arra fordítani, hogy más testeknek energiát adjon át, rajtuk munkát végezzen. Természetesen maximum annyi energiát tudunk a rugóból „kiszedni” amennyit adtunk neki.

Az expander rugói energiát tárolnak x m-es méretváltozás esetén. A D a rugóra jellemző állandó. Látható a képletből, hogy minél nagyobb az alakváltozás, annál több energiát tárol a rugó, annál nagyobb munkát kellett rajta végezni. Ennek nagyon örülünk, hiszen ez összhangban van mindennapi tapasztalatainkkal.

3.2. Értelmezd energetikai szempontból az alábbi folyamatot!
Mikor melyik test milyen energiával rendelkezik?

	golyó energiája	rugó energiája
a golyó halad a deformációval nem rendelkező rugó felé	.	.
a rugót összenyomja a golyó	.	.

Ha az energiák egymásba alakulására gondolunk az előbb vizsgált folyamat során, akkor egy igen fontos megmaradási törvény kezd körvonalazódni a szemünk előtt.

3.3. Fogalmazd meg ezt a törvényt a rugóból és golyóból álló zárt rendszerre!

 

A testeknek azt az esetleges tulajdonságát, hogy képesek más testek állapotában változást előidézni könnyű felismerni. Egy autó csak akkor képes valamit vagy valakit elgázolni, ha mozog, azaz rendelkezik mozgási energiával. A mezőknél ezt a képességet már nehezebb észrevenni.

I. Vasreszelék közelébe tegyetek mágnest! Dörzsöljetek meg egy vonalzót, majd tegyetek papírdarabkákat a közelébe! Egyik esetben se engedjétek meg a közvetlen érintkezést! Mit tapasztaltok?

Akár a mágneses, akár az elektromos mező képes testeknek az állapotát megváltoztatni. Ez pedig azt jelenti, hogy energiával rendelkeznek. Sejtjük, hogy akkor a gravitációs mező is rendelkezik energiával. Amikor felmegyünk az emeletre, vagy valamit felemelünk munkát kell végeznünk még akkor is, ha a test mozgási energiája, azaz sebessége nem változik meg. Ilyenkor a gravitációs erő ellenében kell munkát végezni. Amikor egy test leesik bizonyos magasságból a gravitációs mező hatására gyorsul, a mező végez rajta munkát.

3.4. Egy 5 kg tömegű táska, a 7 m magasan lévő ablakból kiesik.. Mekkora munkát végez a testen a gravitációs mező?

A fenti példában két test kölcsönhatásáról van szó (Föld és táska). Az energiaváltozás azért következett be, mert a két test helyzete egymáshoz viszonyítva megváltozott, akárcsak a rugó és golyó kölcsönhatásának esetében. A Föld helyzete is változik, csak nem érzékelhető. Nem így van ez a Hold és a Föld esetében. Közönséges méretű testek mozgásánál a Föld mozdulatlannak tekinthető, így a Föld és a test gravitációs kölcsönhatási energiája csak a test helyétől függ. Ezért nevezzük a test helyzeti, vagy magassági energiájának, azt a munkát amit addig végezne a gravitációs mező, amíg adott helyről a nullhelyzetbe mozdítaná a testet. A nullhelyzetet tetszőlegesen lehet megválasztani. Általában a földfelszínen veszik nullának a testek helyzeti energiáját.
Ezt az energiát tehát a következő képlettel számolhatjuk: