To so neobnovljivi viri energije.

Transcript

1

2 Pogosto govorimo o električni energiji, toplotni, vodni, sončni, jedrski in drugih energijah. Voda v strugi potoka, voda za jezom, morski valovi, veter, les, premog, nafta, zemeljski plin, geotermalna voda, jedrsko gorivo, sonce, pa tudi baterija in akumulator so viri energije. Tudi hrana je vir energije. Sonce glavni energijski vir, potreben za nastanek večine drugih energij Sonce je srednje velika zvezda. Količina njegove energije, ki se sprošča kot svetloba in se razprši na vse strani, je zelo velika. Zemlja je prestreže toliko, kolikor bi je dobila iz okoli 200 milijonov jedrskih elektrarn. Koristno uporabimo le majhen del te energije. Sonce Sonce segreva površje in ozračje Zemlje, omogoča izhlapevanje vode s površja, ki se vrača v obliki padavin, omogoča rast rastlin. Energija prihaja s Sonca na Zemljo s svetlobo. Svetloba ima energijo. Fosilna goriva in energijski viri iz globin Zemlje Natakanje goriva Iz rastlinskih in živalskih organizmov so v več deset milijonih let nastali premog, nafta in zemeljski plin. Pri gorenju le-teh se sprošča energija, s katero segrevamo zrak ali vodo in poganjamo stroje. Zaloge fosilnih goriv, posebno nafte, so omejene. Ocenjujejo, da je nafte in plina še za približno 50 let. Čeprav fosilna goriva še vedno nastajajo, so nastale količine premajhne, da bi nadomestile izčrpano nafto in plin. Iz Zemljine notranjosti prihajajo na površje vroča voda, plini in pare, ki jih na primer na Islandiji uporabljajo za pridobivanje električne energije in ogrevanje rastlinjakov. V zemeljski skorji so nahajališča uranove rude, iz katere pridobijo gorivo za jedrske elektrarne. To so neobnovljivi viri energije. Energija vode, vetra, lesa, hrane, človeka, živali elektrarna na veter Voda na površju Zemlje izhlapeva in se v obliki padavin vrača. Po pobočjih hribov tečejo potoki. Ob njih stojijo mlini in žage, ki jih poganja voda. Na rekah so zgrajene elektrarne, za jezovi pa se zbira veliko vode, ki jo usmerijo na lopatice turbin. Turbine poganjajo generatorje, ti pa električni tok. Električni tok poganja pralni stroj, žago, vrtalnik. 72

3 Zaradi različno segretih plasti zraka nastaja veter, ki lahko poganja lopatice elektrarne na veter ali pa ruje drevesa in razdira strehe hiš. Rastline potrebujejo svetlobo za fotosintezo, ob kateri nastaja hrana za rast rastlin in plodov. Rastline so hrana ljudem in živalim. Hrano potrebujemo za delovanje mišic in drugih organov. jedrska elektrarna Zajetje geotermalne vode na Islandiji, s katero ogrevajo rastlinjake. Les in druge organske odpadke po svetu že izkoriščajo za pridobivanje plina, ki nadomešča fosilna goriva. To so obnovljivi viri energije. Znanstveniki posameznih držav si prizadevajo za čim večje in boljše izkoriščanje energijskih virov: vode, vetra, morskih valov, plime in oseke, lesnih in drugih organskih odpadkov, vroče vode in pare, ki bruha iz Zemlje Vsi ti viri imajo veliko več energije kot je bo človeštvo kdaj potrebovalo. Potrebno je le najti pot, kako s čim manjšimi stroški in čim hitreje narediti to energijo uporabno in jo brez velikih izgub pripeljati do uporabnikov. Energija prehaja na različne načine iz energijskih virov na telesa. S to energijo se jim spremeni hitrost, lega, olika, temperatura ali agregatno stanje. V Fiziki rečemo, da imajo telesa zato kinetično, potencialno, prožnostno ali notranjo energijo. Energijo označimo z W. Enota zanjo je joule (izg. džul), J. Martinček se greje na soncu. Z računalom na sončne celice lahko računamo, če nanj pade dovolj svetlobe. V topli gredi semena prej vzklijejo. Sateliti dobivajo elektriko iz sončnih celic. S kolektorji na stre-hi segrevamo sanitarno vodo. Čez dan sončne celice polnijo akumulator, da luč ponoči sveti. Take svetilke so na sončnih krajih, kjer ni električne napeljave. 73

4 1. Vzemi dve enaki pollitrski plastenki in ju pobarvaj: eno s črno in drugo z belo barvo. Vanju vlij enako količino hladne vode in ju postavi na sonce. Čez približno pol ure izmeri temperaturo vode v obeh plastenkah. Kaj ugotoviš? Zakaj so plošče sončnih zbiralnikov črne? 2. Na sončno celico priključi ventilatorček in jo postavi na sonce. S papirjem počasi prekrivaj površino sončne celice. Kaj opaziš? 3. Opiši nekaj možnosti racionalne rabe energije. Opiši, kako lahko doma ali v šoli varčuješ z vodo, elektriko, toploto. 4. Poišči zapise o obnovljivih in neobnovljivih virih energije. Lahko narišeš tudi strip. 5. Šele dobrih trideset let izkoriščajo atomsko energijo v jedrskih elektrarnah. Jedrska elektrarna Krško proizvede 15 % vse energije v Sloveniji. Poišči nekaj prednosti in slabosti uporabe jedrske energije. 74

5 O kinetični energiji opazovanega telesa sklepamo po njegovi hitrosti. Naredimo poskus. Vžigalično škatlico postavimo na mizo, in sicer tako, da stoji pokonci. Iz oddaljenosti približno pol metra frcnimo proti njej frnikolo. Kaj opazimo? Frnikola se zakotali, podre škatlico in se z zmanjšano hitrostjo kotali naprej. Ko mirujočo frnikolo frcnemo, se začne kotaliti oziroma gibati. Gibajoča se frnikola ima kinetično energijo. Ko se ji ob trku s škatlico zmanjša hitrost, se ji zmanjša tudi kinetična energija. Drsalka na ledu naredi pirueto. Pri tem se vrti okoli navpične osi. Tudi ona ima kinetično energijo. Vsako gibajoče se telo ima kinetično energijo. Ta se mu spreminja, ko se mu spreminja njegova hitrost gibanja z večanjem hitrosti se kinetična energija veča, z manjšanjem hitrosti pa se manjša. Govorimo torej o spremembi kinetične energije. Kinetična energija se poveča Vozičku se poveča hitrost, ko ga učenec porine. Kinetična energija se zmanjša Izstrelku se zmanjša hitrost, ko prestreli jabolko. Janja se guga hitreje, ko jo sestra potisne. Shuttle odpre padalo, da se pri ustavljanju upočasni. Jabolko pade v sod z vodo in se v njem zaustavi. Nogometaš brcne žogo, ki se kotali po igrišču. Žogi se poveča hitrost. 75

6 Kinetična energija telesa je odvisna tudi od njegove mase. Naredimo poskus. Potrebujemo dve enako dolgi vrvici, dve enako veliki, vendar različno težki kroglici, ter dve enaki škatlici. Kroglici obesimo na vrvici in počakamo, da se umirita v ravnovesni legi. Pred njiju postavimo škatlici. Kroglici hkrati odmaknemo iz ravnovesne lege za enaka kota in ju spustimo. Kaj opazimo? Kroglici udarita v škatlici, vendar se prevrne le tista škatlica, ki jo zadene kroglica z večjo maso. Kroglica z manjšo maso škatlico samo zamaje. Telesi, ki imata različni masi in se gibljeta z enako hitrostjo, imata različni kinetični energiji. Večjo kinetično energijo ima telo z večjo maso. Vsako gibajoče se telo ima kinetično energijo, Wk. Ta je odvisna od hitrosti in od mase telesa. Večja kinetična energija Manjša kinetična energija Hitrost vozil je 70 km h. Kovinska in lesena kroglica padata z iste višine. Med telesi, ki so podčrtana, izberi tista, ki imajo kinetično energijo. a) Letalo leti visoko po zraku. b) Helikopter lebdi v zraku. c) Kolesar drvi po cesti. č) Policist stoji ob cesti in opazuje promet. d) Veter vrtinči suho listje. Vrtavko zavrtimo na mizi. Ali ima vrteča se vrtavka kinetično energijo? Nogometni vratar ujame žogo. Kaj se zgodi s kinetično energijo žoge? Osebni avto pelje po ravni cesti za tovornjakom in se odloči za prehitevanje. Opiši spremembo kinetične energije avta med prehitevanjem. Tine dvigne košarkarsko žogo in jo z višine 1 m spusti v peskovnik z zrahljano mivko. Enako naredi z medicinko. a) Katera žoga naredi globlji odtis? b) Katera žoga ima tik nad mivko večjo kinetično energijo? Pojasni odgovor. 76

7 Andrej dvigne nahrbtnik s tal in si ga oprta. Nahrbtnik je zdaj približno 1 m višje. Pravimo, da se nahrbtniku poveča potencialna energija. Ko ga spet odloži na tla, se potencialna energija nahrbtnika zmanjša. In kaj se dogaja s potencialno energijo, če Andrej nahrbtnik najprej odloži na mizo, potem pa ga odnese v kot učilnice in ga tam položi na stol? Ko Andrej nahrbtnik odloži na mizo, se nahrbtniku potencialna energija zmanjša. Ko ga dvigne, da bi ga odnesel v kot učilnice, se mu potencialna energija nekoliko poveča. Med nošenjem se potencialna energija nahrbtniku ne spreminja, ko pa ga odloži na stol, se spet zmanjša. Andrej na koncu šolske ure dvigne nahrbtnik na mizo, da bo vanj pospravil knjige in zvezke. Nahrbtniku se med dviganjem poveča potencialna energija, vendar manj, kot takrat, ko so v njem vse potrebščine, saj je njegova masa manjša. Kako pa se bo spreminjala potencialna energija viteza, ki bi se rad povzpel na stolp do svoje izbranke? Lahko gre po stopnicah, se vzpne po lestvi ali pa spleza po drogu. Ne glede na to, katero pot bo izbral, bo sprememba potencialne energije v vseh treh primerih enaka, saj je enaka tudi višinska razlika med izhodiščem in ciljem. Potencialna energija, Wp, je energija, ki jo ima telo zaradi svoje lege. Med dviganjem se povečuje, med spuščanjem oziroma padanjem pa zmanjšuje. Kolikšna je sprememba potencialne energije telesa, je odvisno od začetne in končne lege telesa ter od njegove teže. Katerim podčrtanim telesom se potencialna energija ni spremenila, katerim se je povečala in katerim zmanjšala? a) Raketa se dvigne z izstrelišča. b) Plošček drsi po ledu. c) Opeko prestaviš z največje ploskve na najmanjšo. č) Vrabec zleti s strehe na dvorišče. Nekdaj so živila v planinske koče tovorili z mulami, danes jih vozijo z žičnico, tovor pa lahko prepeljejo tudi s helikopterjem. Kaj lahko poveš o spremembi potencialne energije vreče moke, če jo iz Bohinja v kočo na Komni spravijo na vse tri načine? Boris in Stane kotalita 150 N težke betonske cevi po različnih klancih 1,5 m visoko. Boris kotali cev po deski, ki je prislonjena pod kotom 20, Stane pa po deski, prislonjeni pod kotom 30. a) Načrtovalno določi sili, ki sta potrebni za kotaljenje cevi, če trenje zanemarimo. b) Ali se spremembi potencialne energije cevi pri Borisu in Stanetu razlikujeta? Pojasni odgovor. 77

8 Potencialna energija se poveča Žerjav dvigne 10-tonski tovor 15 m visoko. Potencialna energija se zmanjša Opeka zdrsne s strehe. Kolesar prikolesari na vrh klanca. Balon na topli zrak se spušča. Plezalec premaguje plezalno steno. Peresnica pade z mize na tla. Elastično telo se lahko zaradi delovanja zunanje sile raztegne, stisne, upogne ali zvije. Naredimo poskus. Z balističnim topičem izstrelimo kroglico. Opazujmo vzmet to-piča. Kaj se je zgodilo? Ko smo vzmet stisnili, smo ji povečali prožnostno energijo. Napeta vzmet se je sprožila in odrinila kroglico. Pri tem se ji je zmanjšala prožnostna energija. Pri raztezanju, stiskanju, upogibanju ali zvijanju se prožnemu telesu poveča prožnostna energija, Wpr. 78

9 Prožnostna energija se poveča Miha napne lok. Prožnostna energija se pomanjša Napeti lok izstreli puščico. Tit raztegne elastiko na frači. Veja se zravna, ko z nje otresemo sneg. Telovadec skoči na ponjavo in jo napne. Napeta ponjava odrine telovadca v zrak. Ali veš? Katerim podčrtanim telesom se je spremenila prožnostna energija? a) Ana je aluminijasto žico ovila okoli svinčnika. b) Maja je igračko z vzmetjo zaprla v škatlico. c) Mama je z elastiko pričvrstila celofan na kozarec. č) Žoga je priletela v steno. d) Matej si je zavezal vezalke. Naštej nekaj teles, katerim lahko povečamo prožnostno energijo. Tine in Tone tekmujeta v streljanju z istim lokom. Tine izstreli puščico 30 m daleč, Tone pa 25 m. Kdo je bolj napel lok? Kdo je povzročil večjo spremembo energije loka?... da je v kosu prepečenca okoli 300 kj energije? Toliko je porabiš, če 6 minut tečeš, 10 minut kolesariš ali 1 uro in pol spiš. Toliko energije porabi avto v 7 sekundah pri hitrosti 80 km h. 60-vatna žarnica s toliko energije sveti 1 uro in pol.... da je v 1 litru bencina 30 MJ energije? To je prav toliko, kot v 15 litrih mleka ali 4 kilogramih sira. 79

10 Babica zamahne z motiko. Dvigalo dviga gradbeni material. Tomaž napenja vzmeti. Cvetlični lonček pade z okenske police. Motika, gradbeni material, vzmeti in cvetlični lonček se gibljejo. Gibanja povzročajo sila babice, sila dvigala, sila Tomaža in teža. Pravimo, da babica, dvigalo, Tomaž in Zemlja opravljajo delo. Pri tem se motiki, gradbenemu materialu, vzmeti in lončku spreminja energija. V vsakdanjem življenju pa je pojem dela širši. Delamo tudi takrat, ko držimo v rokah napete vzmeti, se učimo, beremo časopis, gledamo televizijo, kuhamo krompir ipd. Ker se pri naštetih dogodkih opazovana telesa ne premikajo, v fiziki takih opravil ne štejemo med dela. Vlecimo prazen laboratorijski voziček v vodoravni smeri s stalno silo in ga premaknimo za izbrano razdaljo. Ponovimo poskus in vlecimo enako daleč voziček, naložen s fizikalnimi pripomočki. Ker vlečemo z večjo silo, pravimo, da je opravljeno delo večje. Povlecimo nato prazen voziček dlje kakor prej. Pravimo, da smo tudi tokrat opravili več dela kakor prvič, saj smo voziček premaknili dlje. Opravljeno delo je odvisno od sile, ki deluje v smeri gibanja, in od poti. Silo in pot znamo izmeriti. Kako pa določimo delo? Dogovorimo se: Če sta sila in pot vzporedni, velja, da je delo produkt sile in poti. Znak za delo je velika črka A. delo = sila pot A = F s Enota za delo je newtonmeter, Nm, ali joule, J. Večji enoti sta 1 kj in 1 MJ. 1 J dela opravi sila 1 N, ki deluje na poti 1 m v smeri gibanja. 80

11 Zgled Nahrbtnik s šolskimi potrebščinami tehta 120 N. Ko si ga oprtaš na rame, ga dvigneš za 1 m. Koliko dela opraviš? F = 120 N s = 1 m A =? Opraviš 120 J dela. A = Fs A = 120 N 1 m A = 120 Nm A = 120 J James Prescott Joule ( ), angleški fizik Joulov oče, bogat angleški pivovarnar, je imel dovolj denarja in posluha za sinovo preučevanje naravoslovnih pojavov, zato mu je opremil domači laboratorij. Joule je raziskoval pojave, ki so povezani s temperaturo in toploto. Z lordom Kelvinom sta raziskovala, kako se vedejo plini pri širjenju v prostor z znižanim tlakom. Joule je vpeljal enačbo za izračun toplote, ki jo odda električni vodnik, ko teče skozenj električni tok. Pokazal je tudi, da obstajajo različne oblike energije, ki se lahko pretvarjajo druga v drugo. Prvi je izmeril mehanični ekvivalent toplote. Po njem se imenuje osnovna enota za delo in energijo. Sila in pot nista vzporedni. Vlečne in potisne sile ne delujejo vedno v smeri gibanja. Na-štejmo nekaj zgledov. Po trgovini nosimo nakupovalne košare, učenci nosijo na ramah nahrbtnike, delavci nosijo podpornike. Sila učenca na nahrbtnik, kupca na košaro, delavca na podpornik je pravokotna na smer gibanja, zato imenovane sile ne opravljajo dela. Delo naštetih sil je nič. Zgled Sani, vozičke, zaboje vlečemo ali potiskamo tudi tako, da sta vlečna ali potisna sila poševni na smer gibanja. Poševno silo razstavimo na dve komponenti, od katerih je ena vzporedna s smerjo gibanja, druga pa je nanjo pravokotna. Delo opravlja le komponenta, ki je vzporedna s smerjo gibanja. Delo komponente, ki je pravokotna na smer gibanja, pa je nič. Izračunajmo delo, ki ga opravimo, ko vlečemo sani 10 m daleč s silo 20 N. Sani vlečemo naprej in jih tudi privzdigujemo. Sani potiskamo naprej in proti tlem. Komponenta, vzporedna s smerjo gibanja, je le 17 N, zato opravimo 170 J dela. 81

12 Katera od podčrtanih teles delajo? a) Plašč visi na obešalniku. b) Igor dviga sliko, da jo bo obesil na steno. c) Kolesar s kolesom zapelje v grmovje. č) Ženin nese nevesto čez prag. d) Mizar zabija žebelj. Alenka tišči vrata, da jih Miha ne more odpreti. Ali Alenka in Miha delata? Pojasni odgovor. Kolikšno delo opravi traktor, ki vleče plug s silo 1500 N, če pelje sedemdesetkrat po 60 m dolgi njivi. Ali je opravljeno delo večje, če njivo zorje v krajšem času? Manca dvigne 30 N težko korito za rože na 1,5 m visoko okensko polico. Kolikšno delo pri tem opravi? Kolikšno delo opravi teža 2 m 3 vode, če pade na lopatice turbine z višine 30 m? 82

13 Ali si že kdaj opazoval kegljanje? Kegljač močno zamahne in vrže kroglo proti kegljem. Ta se zakotali po stezi, in če je met uspešen, podre keglje. Krogla se giblje, torej ima kinetično energijo. In od kod dobi to energijo? Od kegljača, ki pri metu krogle opravi delo. Ker ima gibajoča se krogla energijo, tudi sama opravi delo. Zgledi Kegljač potisne kroglo s silo 100 N na 1,4 m dolgi poti. Opravi 140 J dela. Za 140 J se krogli poveča kinetična energija. Krogli se zmanjša energija, ko podre keglje in pri tem opravi delo. Kinetično energijo telesu povečamo z delom. Telo, ki ima kinetično energijo, lahko delo opravi. Tedaj se mu kinetična energija zmanjša. Kinetična energija se telesu poveča za toliko, kolikor znaša skupno delo teles, ki delujejo na opazovano telo, in se mu zmanjša za toliko, kolikor dela telo samo opravi na telesih v okolici. Sprememba kinetične energije je torej enaka opravljenemu delu. Povedali smo izrek o kinetični energiji. Zapišemo ga takole: A = ΔWk. Grška črka delta, Δ, je znak za spremembo. Učenec vleče nahrbtnik po vodoravnih tleh s stalno silo 10 N. Njegova pot je dolga 8 m. Koliko dela opravi? Ali se nahrbtniku zaradi dela, ki ga opravi učenec, energija poveča? F = 10 N s = 8 m A =? A = Fs A = 10 N 8 m A = 80 Nm A = 80 J Učenec opravi 80 J dela. Ker mora premagovati trenje, ki med gibanjem deluje nanj, se mu kinetična energija ne poveča. Za nahrbtnik velja, da med gibanjem nanj delujeta dve nasprotno enaki sili: sila učenca in trenje. Vsota teh dveh sil je 0 in zato je tudi delo vseh zunanjih sil enako 0. Da si kmet oprta 50-kilogramsko vrečo žita, jo mora dvigniti 1,5 m visoko. Ker ima vreča 500 N, potrebuje za dvig silo najmanj 500 N. Kmet opravi 750 J dela, zaradi česar se vreči energija poveča za 750 J. Pravimo, da se vreči za 750 J spremeni potencialna energija. To zapišemo takole: ΔWp = 750 J. Tolikšna bi bila sprememba potencialne energije, ne glede na to ali bi bil kmet v Kopru, Ljubljani ali na Pohorju. Spremembo višine smo namreč merili od tal navzgor. Pri enakomernem dviganju se telesu spreminja samo potencialna energija. Sprememba potencialne energije je odvisna od teže telesa Fg in višine h, za kolikor smo ga dvignili. Sprememba potencialne energije je v tem primeru pozitivna. Če pa se telo premakne v nižjo lego, je sprememba potencialne energije negativna. Izračunamo jo takole: ΔWp = Fg h. 83

14 Ko raketa ponese satelit v orbito okoli Zemlje, opravi delo. Satelit kroži na določeni višini, če je njegova hitrost približno 8 km s. Med potovanjem do orbite se satelitu večata kinetična in potencialna energija. Raketa pri dviganju satelita opravi več dela, kot bi ga bilo treba za spremembo potencialne enargije. Zato se satelitu poveča tudi kinetična energija, A = ΔWk + ΔWp. Telesu se spremenita kinetična in potencialna energija za toliko, kolikor dela izmenja z okolico, A = ΔWk + ΔWp. Zapisali smo izrek o kinetični in potencialni energiji. Avto na avtocesti povečuje hitrost na poti, dolgi 125 m. Za to je potrebna sila 2000 N. Za koliko kj se avtu poveča kinetična energija? Uporabi izrek o kinetični energiji. Frnikola se je kotalila po ravnih tleh. Med kotaljenjem je trenje opravilo 0,5 J dela in frnikola se je zato ustavila. Kolikšno kinetično energijo je imela, ko se je začela kotaliti? Vid potiska voziček s silo 50 N po vodoravnih tleh 1,5 m daleč, nato ga spusti. Gibanje ves čas zavira sila 30 N. a) Kolikšno delo opravi Vid? b) Kolikšna je kinetična energija vozička, ko ga spusti? c) Voziček se čez nekaj časa ustavi. Koliko dela opravi trenje med ustavljanjem? Mitja je opravil 30 J dela, ko je počasi dvignil košaro 40 cm visoko. a) Katera energija se je košari povečala in za koliko? b) Košara mu je zdrsnila iz rok in padla na tla. Kaj se je zgodilo z njeno energijo? Miha postavi 50 N težko torbo z mize na tla. Miza je visoka 90 cm. Za koliko J se torbi zmanjša potencialna energija? Slika tehta 20 N in visi 1,5 m visoko od tal. Kolikšno potencialno energijo ima slika glede na tla? V vodnem zbiralniku je 5000 m 3 vode. Kolikšno potencialno energijo ima voda glede na uporabnike v kraju, ki leži 50 m nižje? Od vznožja do vrha vzpetine je 100 stopnic, visokih po 15 cm. Ko se je Mojca povzpela po njih, se ji je potencialna energija povečala za 7,8 kj. Koliko tehta Mojca? Trije otroci hkrati potiskajo drsna vrata v narisanih smereh, vsak s silo po 50 N. Vrata se premaknejo za 1,5 m v smeri proti desni. a) Izračunaj, kolikšno delo opravi vsak otrok. b) Koliko dela opravijo vsi skupaj? c) Ali se zaradi opravljenega dela vratom poveča energija? Kolesar ima ob vznožju klanca 3000 J kinetične energije. Pri vožnji po klancu navzgor opravi še 6000 J dela, od tega 2000 J za premagovanje trenja. Na vrhu klanca ima še 1000 J kinetične energije. a) Primerjaj hitrost kolesarja ob vznožju klanca s hitrostjo na vrhu. b) Kolikšna je sprememba potencialne energije kolesarja? c) Kako visok je klanec, če je masa kolesarja s kolesom vred 60 kg? 84

15 Pri delu si pomagamo s stroji. To so lahko zapletene naprave, kot so pralni stroj, letalski motor, bager, robot za sestavljanje avtomobilov, ali pa preprosta orodja, kot so klešče, škarje, izvijač, žaga, vilice, samokolnica, škripec, prislonjena deska, po kateri kotalimo sod, in druga. Z nekaterimi preprostimi orodji si pomagamo pri dvigovanju bremen, saj je sila, ki jo zmoremo, sicer premajhna. To pomeni, da lahko z majhno silo dvigamo težko breme. Težka vhodna vrata snemamo s tečajev. Pod vrata potisnemo drog in ga naslonimo na podporo, ki je čim bliže vrat. Drog s podporo je orodje, ki ga imenujemo vzvod. Z vzvodom dvignemo vrata z manjšo silo kakor brez njega. Raziščimo delovanje vzvoda. Lahko, meter dolgo letev razdelimo na 5 enakih delov, ki so ločeni med seboj z močnimi elastikami, za katere vpenjamo vzmetno tehtnico. Letev pri drugi oznaki naslonimo na podporo, na krajši konec letve pa postavimo opeko. Letev je postala vzvod. Nekajkrat dvignemo opeko, tako da vsakič spremenimo prijemališče sile roke. Kaj ugotovimo? Sila roke je tem manjša, čim bolj je njeno prijemališče oddaljeno od podpore. 85

16 Ugotoviti želimo, koliko dela opravimo pri vsakem dvigu. Opeko dvignemo vsakič do iste višine, zato je sprememba potencialne energije opeke vedno enaka, torej je tudi vloženo delo vedno enako. Izmerimo silo roke F r in pot te sile pri vsakem dvigu. Primerjajmo dobljene rezultate. Ugotovimo, da opravi 2-krat manjša sila 2-krat daljšo pot, 3-krat manjša sila 3-krat daljšo pot itd. kljuka za puljenje žebljev Zgled Izračunajmo delo roke A r, ko je za delo z vzvodom potrebna sila 7,5 N, ki deluje na poti 0,4 m. A r = F r s r A r = 7,5 N 0,4 m A r = 3 J Pri dviganju opeke opravi sila roke 3 J dela. V tabeli so zapisani rezultati meritev in opravljeno delo z vzvodom odpirač za kronske zamaške prijemališče pot sile roke, s r sila roke, F r delo, A r sile roke [m] [N] [J] P 1 0, P 2 0, P 3 0, P 4 0,4 7,5 3 Izračunajmo še, za koliko se pri vsakem dvigu opeki poveča potencialna energija. Če opeko, ki tehta 30 N, dvignemo za 10 cm, se ji poveča potencialna energija za 3 J, saj opravimo 3 J dela. škarje za rezanje pločevine Pri dviganju opravimo z vzvodom enako delo kakor brez njega. Sila roke je lahko z uporabo vzvoda manjša od teže telesa. Pot sile pa je tolikokrat daljša, kolikorkrat je sila manjša. samokolnica Arhimed je ugotovil, da je pri vzvodu lahko majhna sila v ravnovesju z mnogo večjo silo. Ob tem je pripomnil:»dajte mi oporno točko in premaknil bom svet.«kralj je podvomil v to pripombo in izzval Arhimeda, da je sistem vzvodov povezal v škripčevje. Z njim je brez večjega napora z eno roko potegnil do vrha napolnjeno ladjo iz pristanišča na nasprotno obalo. ščipalnik za nohte 86

17 S škripci dvigamo bremena. Manjša bremena dvigamo samo z enim škripcem, za težja pa sestavimo dva ali več škripcev v škripčevje. Pritrjeni škripec Dvignimo utež, ki je težka 10 N, 20 cm visoko. Kolikšno delo opravi sila pri dviganju? Sila opravi 2 J dela, ker je 10 N 0,2 m = 2 J. Uteži se je za 2 J povečala Wp. Dvignimo utež še s pritrjenim škripcem. Izmerimo silo, s katero dvigamo utež, in pot te sile. Sila je 10 N, njena pot pa 0,2 m. Pri dviganju uteži s škripcem opravi sila 2 J dela. Sila roke F r je po velikosti enaka sili bremena F b. Prav tako je pot roke enaka poti bremena. s = 20 cm s = 20 cm s = 20 cm Preverimo še, ali smer vlečne sile vpliva na njeno velikost. Poskus pokaže, da je velikost sile, s katero zadržujemo utež, v vseh smereh enaka. Delo s škripcem je enako delu brez škripca. Z njim delamo laže, ker lahko vlečemo vrv v poljubni smeri. Gibljivi škripec Na kavelj obesimo vrvico in jo napeljemo po obodu lahkega škripca. Na škripec obesimo utež, prosti konec vrvice pa povlečemo na vzgor. Tudi škripec se z utežjo vred giblje navzgor. Tako upora-bljen škripec je gibljivi škripec. s 2 = 20 cm s 1 = 20 cm Izmerimo silo, ki je potrebna za dviganje 10 N težke uteži, in pot te sile. Utež dvignemo za 20 cm. Če težo škripca zanemarimo, je vlečna sila enaka polovici teže bremena, njena pot pa je dvakrat daljša od poti bremena. Zakaj je vlečna sila enaka polovici teže bremena? Škripec visi na dveh vzporednih vrvicah, vsaka nosi polovico bremena. 87

18 Škripčevje sestavljajo pritrjeni in gibljivi škripci. Več škripcev sestavimo zato, da zmanjšamo vlečno silo. Hoja v hrib je lažja, če se vzpenjamo po položnejši poti, čeprav je ta daljša. Tudi hoja po stopnicah je lažja, če so stopnice nižje, čeprav jih moramo za isto višino prehoditi več. Nakladanje težkih sodov si olajšamo tako, da jih kotalimo po deski. Pripomoček, s katerim spravimo breme na izbrano višino po poševni poti, je klanec. Uporabljali so ga že Egipčani pri gradnji piramid. Sestavimo klanec in najprej dvignimo voziček s težo 10 N 25 cm visoko, nato pa ga na isto višino povlecimo po klancu v dolžini 100 cm. Meritve pokažejo, da je pri delu s klancem vlečna sila 4-krat manjša, njena pot pa 4-krat daljša kakor pri navpičnem dviganju. ΔW p je enako 2,5 J. Pri dviganju opravimo 2,5 J dela, ker je 10 N 0,25 m = 2,5 J. Pri vleki po klancu opravimo prav tako 2,5 J dela, saj je 2,5 N 1 m = 2,5 J. ΔWp vozička je enaka 2,5 J. S klancem si delo olajšamo. Orodja nam olajšajo delo, vendar moramo kljub temu premagovati trenje, včasih pa tudi težo orodja. Klanec, vzvod in gibljivi škripec uporabljamo zato, da zmanjšamo vlečno ali potisno silo, z nekaterimi orodji pa spremenimo celo njeno smer. Vedeti moramo, da je pot sile 2-krat, 3-krat daljša, če je sila 2-krat, 3-krat manjša. Dviganje zelo težkih bremen je brez uporabe orodij nemogoče. S škarjami prereži list časopisnega papirja in kos lepenke. Bodi pozoren na lego papirja in lepenke med rezili. Opiši to lego in jo pojasni. 88

19 Kje moraš prijeti lopato z eno roko in kje z drugo, da lažje nalagaš pesek na prikolico? S katerim ključem lažje odviješ močno zategnjen vijak? Pojasni odgovor. Zidar dvigne vedro malte, ki tehta 150 N, z gibljivim škripcem na 3 m visok zidarski oder. Na sosednjem gradbišču za dvigovanje enako težkega vedra malte na isto višino uporabljajo pritrjeni škripec. Določi velikosti količin v spodnji preglednici. sila roke pot sile roke delo roke gibljivi škripec F 1 = s 1 = A 1 = pritrjeni škripec F 2 = s 2 = A 2 = Mornarji so natovarjali sode z maso po 80 kg na 2 m visoko palubo ladje. Eden si je pomagal s 5 m dolgo desko, druga dva pa s pritrjenim škripcem. a) S kolikšno silo je delal mornar, ki si je pomagal s klancem? Silo, potrebno za kotaljenje sodov po klancu določi načrtovalno. S kolikšno skupno silo sta mornarja dvigovala sode s škripcem? b) Kolikšno delo so opravili vsakič, ko so spravili sod na palubo? 89

20 Reši izpolnjevanko! Rešitev izpolnjevanke je pojem, ki velja za vzvod Skupno ime za naprave, s katerimi si olajšamo delo. 2. Dolga deska, prislonjena k tovornjaku, ki pomaga pri natovarjanju. 3. Toga palica za dviganje pokrovov. 4. Enota za silo. 5. Količina, ki jo merimo v metrih, kilometrih ali manjših enotah. 6. Pripomoček za prevoz rude. 7. Količina, ki je produkt sile in poti. 8. Količina, ki jo merimo z vzmetno tehtnico. 9. Priimek fizika, po katerem se imenuje enota za delo. 10. Nakopičena je v hrani, vodi, premogu... 90

21 Pri kopanju jarka za kabelsko televizijo del jarka kopljejo s stroji, krajši odsek v bližini hiše pa delavec izkoplje z ročnim orodjem. Stroj izkoplje v eni uri 30 m jarka, delavec pa le 2 m. Torej opravi stroj v enakem času več dela. Pravimo, da stroj dela z večjo močjo. Moč je količnik dela in časa. Označimo jo z veliko črko P. moč = delo čas P = A t Enota za moč je joule na sekundo, J s, ali Nm s ali watt, W. Ker je watt majhna enota, uporabljamo tudi večje: kilowatt, kw, megawatt, MW. Zgleda Črpalka črpa vodo iz vodnjaka. Iz globine 30 m načrpa 1600 kg vode v 20 minutah. S kolikšno močjo dela? Za dvigovanje vode iz vodnjaka je potrebno delo, ki ga opravi črpalka. Za opravljeno delo se vodi poveča potencialna energija. h = 30 m m = 1600 kg; Fg = N t = 1200 s P =? A = ΔW p ΔW p = Fgh ΔW p = N 30 m ΔW p = J A = J P = A t J P = 1200 s P = 400 W Črpalka dela z močjo 400 W. Avto pelje enakomerno, in sicer s hitrostjo 20 m s. Upor zraka je 2500 N. Kolikšna je moč motorja? Gibanje avta je enakomerno, zato je sila upora nasprotno enaka sili avta. F = 2500 N v = 20 m s P =? Moč motorja je 50 kw. P = F v P = 2500 N 20 m s P = Nm s P = W = 50 kw P = A t P = F s t P = F v 91

22 James Watt ( ), britanski inženir in fizik James Watt se je rodil leta 1736 v Glasgowu. Že kot otrok je v očetovi delavnici izdeloval svoje prve modele orodij. Izdelovanja preciznih instrumentov pa se je izučil v Londonu. Med drugim se je ukvarjal tudi z izdelovanjem glasbenih instrumentov in k nauku o zvoku prispeval nekaj novih spoznanj. V bližini Birminghama je z Matthewom Boultonom odprl tovarno strojev. Prijavil je veliko patentov. Z Boultonom sta zasnovala tako imenovani dvojni parni stroj, ki je izkoriščal moč pare tako pri dvigovanju bata kot pri spuščanju. Iznajdba parnega stroja je povzročila vsestranski in hiter razvoj industrije. Enota za moč se po njem imenuje watt. S KOLIKŠNO MOČJO DELAJO? žepni kalkulator 0,0009 W konj 490 W osebni avto od 25 kw do 350 kw jedrska elektrarna v Krškem 630 MW Mojca opravi delo v 30 minutah, Janja pa v 60 minutah. Katera dela z večjo močjo? Tomaž ima 60 kg. Z dvigalom se zapelje 15 m visoko v 10 sekundah. S kolikšno močjo ga dviga dvigalo? V elektrarni je turbina 50 m nižje od gladine vode v jezu. Od tam vsako sekundo pade na turbino 113 m 3 vode. Kolikšna je moč padajoče vode? Pri napornem fizičnem delu človeško srce utripne 150-krat v minuti. Ob vsakem utripu opravi toliko dela, kolikor ga človek opravi pri dvigu 5 N težkega bremena do višine 0,4 m. S kolikšno močjo dela srce? Kolesar poganja kolo s stalno silo 5 N, zato se po vodoravni cesti pelje enakomerno, in sicer s hitrostjo 10 m s. Kolikšna je moč kolesarja? 92

23 Kroglico spustimo z roba polkrožnega žleba. Zaradi teže se giblje po žlebu navzdol vedno hitreje, po žlebu navzgor pa počasneje. Pri gibanju po žlebu navzdol se kroglici manjša potencialna energija. Ker se ji veča hitrost, se ji veča kinetična energija. Ko se kroglica kotali po žlebu navzgor, se ji kinetična energija zmanjšuje, potencialna pa povečuje. Naredimo poskus Žogico spustimo, da pade na mizo in se odbije. Predpostavimo, da se žogica odbije z enako hitrostjo, kakršno je imela pred trkom z mizo. V tem primeru je trk elastičen in žogica se po odboju dvigne do iste višine, s katere smo jo spustili. Opišimo energijske pretvorbe Žogici med padanjem narašča kinetična energija na račun potencialne (1). Potencialna energija žogice se pretvarja v kinetično energijo. Ob trku z mizo se žogica hitro zaustavi in se elastično deformira. Pri tem se zmanjša kinetična energija, za prav toliko pa naraste prožnostna energija stisnjene žogice (2). Pri odboju se dogaja obratno. Prožnostna energija žogice se pretvarja v kinetično, dokler se žogica ne odlepi od mize (3). Kinetična energija žogice se pri dviganju pretvarja v potencialno (4). Vsakokrat se ena oblika energije pretvarja v drugo. Pri tem se ves čas padanja ali dviganja ohranja vsota kinetične in potencialne energije. Ob stiku s tlemi se ohranja vsota kinetične in prožnostne energije. Za opisani zgled lahko rečemo, da se je v celoti ohranjala vsota vseh treh energij skupaj. Skupna energija kroglice je W = W k + W p + W pr. V zabaviščih je posebno vznemirljiva vožnja po»stezi smrti«. Vagončke z verigo potegnejo na vrh strmine in spustijo. Po stezi dol in gor se gibljejo samodejno, brez motorja. Pri tem se potencialna energija vagončkov pretvarja v kinetično energijo, ta pa ponovno v potencialno in tako dalje. Na koncu proge vagončke ustavijo z močnimi zavorami. Skupna energija žogice med padanjem višina [m] W p [J] W k [J] W [J] Dvignjena žogica ima 4 J potencialne energije. Med padanjem se potencialna energija žogice pretvarja v kinetično. Kinetična energija se veča na račun potencialne energije. Skupna energija pa ostane nespremenjena. 93

24 Kroglico in žogico smo opazovali le kratek čas. Pri daljšem opazovanju bi ugotovili, da dosegata vedno manjše višine in se nazadnje ustavita. Pri vseh gibanjih se pojavlja še oblika energije, ki jo bomo opisali v naslednjem poglavju. V zgornjih primerih smo opisovali energijske pretvorbe enega telesa. Opišimo še pretvorbo v sistemu dveh opazovanih teles. Lokostrelec napne lok in izstreli puščico. Napeti lok je imel prožnostno energijo, izstreljena puščica pa kinetično. Prožnostna energija loka se je torej pretvorila v kinetično energijo puščice. Jasmina priteče, skoči na odrivno desko in se požene v vodo. a) Opiši energijsko pretvorbo, ko Jasmina skoči na desko. b) Opiši energijsko pretvorbo, ko deska odrine Jasmino v zrak. c) Opiši še pretvorbo energije, ko Jasmina z najvišje točke pada proti vodni gladini. Opazuj nihanje nitnega nihala in odgovori na vprašanja. a) V kateri legi ima nihalo največjo hitrost? b) V kateri legi ima največjo potencialno energijo? c) V kateri legi se za hip ustavi? Kolikšna je v tej legi kinetična energija? č) Dopolni povedi o energijskih pretvorbah nitnega nihala: Ko nihalo spustimo iz skrajne lege A proti ravnovesni legi B, se potencialna energija nihala pretvarja v energijo. Pri nihanju iz ravnovesne lege B v drugo skrajno lego C se energija nihala pretvarja v energijo. Pri skoku z mostu z elastiko (bungee jumping) se energija skakalca pretvarja v energijo elastike. Dopolni povedi. Skakalcu se po skoku z mostu veča energija tako dolgo, dokler ne začne napenjati elastike. Ko pri padanju napenja elastiko, se njegova potencialna in kinetična energija pretvarjata v energijo elastike. Puščice med oblački prikazujejo možne energijske pretvorbe. Na primer: smučar skakalec se spusti po zaletišču. Potencialna energija smučarja se pretvarja v kinetično energijo. Opiši energijske pretvorbe opazovanega telesa ali sistema dveh teles. a) Hruška pada z drevesa. b) Pritrjeno vijačno vzmet napneš in nato spustiš. c) Napeto ravnilo sune kroglico. Opazovani sistem sta ravnilo in kroglica. č) Telovadec skoči na ponjavo in jo napne. Opazovani sistem sta telovadec in ponjava. d) Matevž brcne nogometno žogo. Opazovani sistem sta Matevž in žoga. e) Utež obesi na vzmet in jo počasi spuščaj do ravnovesne lege. 94