Fyzika skúma rôzne formy energie a ich vzájomné premeny. V tomto článku sa zameriame na mechanickú energiu, konkrétne na kinetickú a potenciálnu energiu hmotných bodov, a na to, ako sa tieto energie menia pri rôznych fyzikálnych procesoch.
Kinetická energia
Kinetická energia, nazývaná aj pohybová energia, je jedným z druhov mechanickej energie. Telesá, ktoré sa pohybujú, majú kinetickú energiu. Jej jednotkou je Joule (J), rovnako ako pri ostatných druhoch energie.
Kinetická energia hmotného bodu je číselne rovná práci, ktorú musíme vykonať, aby sme telesu s hmotnosťou m udelili rýchlosť v. Inými slovami, je to množstvo práce, ktoré bolo potrebné vynaložiť, aby sa hmotný bod zrýchlil z pokoja na danú rýchlosť. Aj veľkosť kinetickej energie telesa závisí od voľby súradnicovej sústavy.
Ak je teleso v pokoji (v = 0), jeho kinetická energia je nulová. Pri rýchlostiach, ktoré sú oveľa menšie v porovnaní s rýchlosťou svetla, platí jednoduchý vzťah:
Ek = 0,5 * m * v²
Pri rýchlostiach porovnateľných s rýchlosťou svetla je potrebné použiť vzťah zodpovedajúci špeciálnej teórii relativity:
E = m₀c² / √(1 - v²/c²)
kde m₀ je pokojová hmotnosť telesa a c je rýchlosť svetla vo vákuu. Tento vzorec sa dá pomocou Taylorovho rozvoja prepísať do tvaru nekonečného radu, z ktorého vidieť, že pri rýchlostiach oveľa menších ako c je významný iba prvý člen a platí newtonovský vzorec.
Pre posuvný pohyb, pri ktorom má každý bod telesa rovnakú rýchlosť v, platí vyššie uvedený vzorec. Avšak, ak chceme teleso roztočiť uhlovou rýchlosťou ω, potrebujeme dodať energiu aj na rotačný pohyb. Kinetická energia rotačného pohybu sa vypočíta pomocou vzťahu:
Ek_rot = 0,5 * I * ω²
kde I je moment zotrvačnosti telesa vzhľadom na os otáčania a ω je uhlová rýchlosť otáčania. Kinetická energia rotačného pohybu je v skutočnosti súčtom kinetických energií všetkých častí telesa, pričom časti s väčšou rýchlosťou prispievajú k celkovej energii viac.
Kinetická energia telies (sústav hmotných bodov) sa rovná súčtu kinetických energií jednotlivých častí sústavy.
Potenciálna energia
Potenciálna energia je energia, ktorú majú telesá umiestnené v určitej výške h nad povrchom Zeme. Nazýva sa aj tiažová potenciálna energia. Jej hodnota je číselne rovná práci, ktorú vykonajú tiažové sily pri premiestnení telesa s hmotnosťou m z výšky h na povrch Zeme. Na povrchu Zeme má teleso nulovú potenciálnu energiu.
Miesta, v ktorých má teleso rovnakú potenciálnu energiu, nazývame hladiny potenciálnej energie. Hodnotu hladiny nulovej potenciálnej tiažovej energie je možné voliť podľa potreby.
Pri pohybe telesa pôsobením tiažovej sily potenciálna energia sústavy Zem-teleso klesá (začiatočná EP1 > koncová EP2) a tiažová sila koná prácu W = -(EP2 - EP1) = -(-ΔEp) > 0.
Teleso nachádzajúce sa vo výške h nad povrchom Zeme má potenciálnu energiu EP = mgh a jeho kinetická energia je nulová, pretože má nulovú rýchlosť. Po spustení teleso začne konať voľný pád s a = g = 9,81 m.s⁻². Potenciálna energia sa premieňa na kinetickú, no súčet Ek + Ep je v každom okamihu konštantný. Tesne pred dopadom na Zem je jeho kinetická energia maximálna (pretože má maximálnu rýchlosť v), jeho potenciálna energia je nulová, pretože h = 0 m. Kinetická energia telesa pred dopadom sa rovná potenciálnej energii telesa pred začiatkom pohybu.
Teleso nachádzajúce sa v gravitačnom poli iného telesa má gravitačnú energiu potenciálnu vzhľadom na toto teleso.
Mechanická energia
Mechanická energia je súčtom kinetickej a potenciálnej energie. V každej izolovanej sústave sa súčet kinetických energií a súčet potenciálnych energií stály a je rovný celkovej mechanickej energii všetkých prvkov.
Pri páde jablka zo stromu sa súčet kinetickej a potenciálnej energie jablka nemení, ak zanedbáme odpor vzduchu. Vtedy sa mechanická energia zachováva. Ak sa však v sústave prejavia trecie sily, mechanická energia sa nemusí zachovať. Zachováva sa však celková energia, ktorá je súčtom mechanickej energie a vnútornej energie.
Vnútorná energia
Okrem makroskopických pohybov, ktoré sme doteraz spomínali, sa telesá skladajú z atómov a molekúl, ktoré vykonávajú neusporiadaný náhodný pohyb. Tento pohyb nie je priamo pozorovateľný, prislúcha mu však energia, ktorú získame sčítaním kinetickej energie všetkých pohybujúcich sa častíc. Túto energiu nazývame **vnútorná energia** telesa a zvyčajne ju označujeme U. Jej jednotkou je rovnako ako pri ostatných druhoch energie Joule.
Keďže s rastúcou teplotou rastie rýchlosť neusporiadaného pohybu častíc telesa, rastie s teplotou aj vnútorná energia. Pre zmenu vnútornej energie ΔU platí prvý termodynamický zákon: Teplo Q dodané sústave sa rovná súčtu prírastku jej vnútornej energie ΔU a práce W', ktorú vykoná sústava.
Ďalšie formy energie
Fyzika pozná aj ďalšie formy energie:
- Vnútorná energia sa skladá z celkovej kinetickej a potenciálnej energie molekúl, atómov a elementárnych častíc.
- Magnetické pole ako špecifická forma hmoty má energiu.
- Elektrické pole kondenzátora sústreďuje elektrickú energiu.
- Elektromagnetické žiarenie nie je spojite rozložené v priestore, ale skladá sa z kvánt energie.
Jadrové reakcie
Pri jadrových reakciách sa pôvodné častice menia na iné častice. Pri každej jadrovej reakcii sa úhrnná relativistická hybnosť a úhrnná relativistická energia častíc v začiatočnom stave reakcie rovná úhrnnej relativistickej energii častíc v koncovom stave reakcie. Energia reakcie (Er) môže byť uvoľnená (Er < 0) alebo spotrebovaná.
Vysvetlenie jadrovej energie: Ako funguje? 1/3
tags: #energia #hmotnych #bodov #maturita
