Корице уџбеника

4.3. Механичка енергија. Кинетичка енергија

Изабери решење задатка:

Задатак 1 (бесплатан)

Кратко решење

Енергија = способност тела да изврши рад, јединица \( \text{J} \). Веће брзина или већа висина \( \Rightarrow \) већа енергија; мања брзина или мања висина \( \Rightarrow \) мања енергија.

Детаљно решење

Ово је појмовно питање о значењу енергије као физичке величине.

Корак 1: Дефиниција енергије

Енергија је физичка величина којом одређујемо способност тела да изврши рад. Ако тело може да изврши рад, кажемо да поседује енергију. Јединица за енергију иста је као и за рад — то је џул \( [\text{J}] \).

Корак 2: Примери веће и мање енергије

Тело које се креће већом брзином има већу кинетичку енергију од истог тела које се креће мањом брзином (аутомобил који брже вози може да изврши већи рад при кочењу или судару). Тело подигнуто на већу висину има већу потенцијалну енергију (вода на већој висини у водопаду може да покрене турбину и изврши већи рад). Мања енергија значи да тело може да изврши мањи рад — на пример спорија колица оборе мање предмета него бржа.

Кратак запис решења:

Енергија је физичка величина која одређује способност тела да изврши рад; брже тело или тело на већој висини има већу енергију.

Најважније из лекције

Енергија: Способност тела да изврши рад; ознака је \( E \), основна мерна јединица је џул (\( \text{J} \)).
Механичка енергија: Збир кинетичке и потенцијалне енергије: \[ E = E_k + E_p \] Кинетичка енергија: Енергија кретања тела: \[ E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} \] Кључне сразмерности:
  • Дупло већа маса (\( 2m \)) \(\implies\) дупло већа енергија (\( 2E_k \)).
  • Дупло већа брзина (\( 2v \)) \(\implies\) четири пута већа енергија (\( 4E_k \)); три пута већа брзина (\( 3v \)) \(\implies\) девет пута већа енергија (\( 9E_k \)).
Енергија је физичка величина која представља меру способности тела или система тела да изврши механички рад.
\( E \)
џул (\( \text{J} \)), \( 1\text{ J} = 1\text{ N} \cdot \text{m} = 1\frac{\text{kg} \cdot \text{m}^2}{\text{s}^2} \)
Пошто су рад и енергија нераскидиво повезани (рад је мера пренете или претворене енергије), мерна јединица за енергију и рад је иста – џул [J].
Ако тело има способност да изврши механички рад од \( 150\text{ J} \), колику енергију то тело поседује?
Енергија тела је једнака раду који тело може да изврши: \[ E = A = 150\text{ J} \]
Механичка енергија тела једнака је збиру његове кинетичке и потенцијалне енергије.
Потенцијална енергија (\( E_p \)) је енергија положаја коју тело поседује у односу на друга тела (нпр. у односу на површину Земље када се налази на некој висини).
Кинетичка енергија (\( E_k \)) је енергија коју тело поседује услед свог кретања.
\[ E = E_k + E_p \] \( E \) – укупна механичка енергија (\( \text{J} \)), \( E_k \) – кинетичка енергија (\( \text{J} \)), \( E_p \) – потенцијална енергија (\( \text{J} \))
Птица у лету има кинетичку енергију \( E_k = 40\text{ J} \) зато што се креће, и потенцијалну енергију \( E_p = 60\text{ J} \) зато што се налази на висини изнад тла. Њена укупна механичка енергија износи: \[ E = E_k + E_p = 40\text{ J} + 60\text{ J} = 100\text{ J} \]
Кинетичка енергија је енергија кретања тела. Она зависи од масе тела и његове брзине.
Зависност од масе: Кинетичка енергија је директно сразмерна маси тела (\( E_k \sim m \)). Ако се маса тела повећа \( n \) пута (при истој брзини), кинетичка енергија се такође повећа \( n \) пута.
Зависност од брзине: Кинетичка енергија је сразмерна квадрату брзине тела (\( E_k \sim v^2 \)). Ако се брзина тела повећа \( n \) пута (при истој маси), кинетичка енергија се повећа \( n^2 \) пута (нпр. ако је брзина 2 пута већа, енергија је \( 2^2 = 4 \) пута већа; ако је брзина 3 пута већа, енергија је \( 3^2 = 9 \) пута већа).
\[ E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} \] \( m \) – маса тела (\( \text{kg} \)), \( v \) – брзина тела (\( \text{m/s} \)), \( E_k \) – кинетичка енергија (\( \text{J} \))
Израчунајмо кинетичку енергију бициклисте и бицикла укупне масе \( m = 80\text{ kg} \) који се крећу брзином \( v = 9\text{ km/h} = 2{,}5\text{ m/s} \): \[ E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} = \frac{80\text{ kg} \cdot (2{,}5\text{ m/s})^2}{2} = \frac{80 \cdot 6{,}25}{2} = 250\text{ J} \]
Пре уврштавања у формулу, брзина увек мора бити изражена у \( \text{m/s} \), а маса у \( \text{kg} \)! Брзина се претвара преко: \( 1\frac{\text{km}}{\text{h}} = \frac{1000\text{ m}}{3600\text{ s}} = \frac{1}{3{,}6}\frac{\text{m}}{\text{s}} \).

Задаци за вежбање

Задатак 1 (лак): Колику кинетичку енергију има лопта масе \( 0{,}5\text{ kg} \) која се креће брзином од \( 10\text{ m/s} \)?
Подаци:
\( m = 0{,}5\text{ kg} \)
\( v = 10\text{ m/s} \)
Рачун: \[ E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} = \frac{0{,}5\text{ kg} \cdot (10\text{ m/s})^2}{2} = \frac{0{,}5 \cdot 100}{2} = \frac{50}{2} = 25\text{ J} \] Одговор: Кинетичка енергија лопте је \( 25\text{ J} \).
Задатак 2 (средњи): Аутомобил масе \( 1200\text{ kg} \) креће се брзином од \( 72\text{ km/h} \). Израчунај његову кинетичку енергију.
Прво претварамо јединицу брзине у \( \text{m/s} \): \[ v = 72\frac{\text{km}}{\text{h}} = \frac{72}{3{,}6}\frac{\text{m}}{\text{s}} = 20\frac{\text{m}}{\text{s}} \] Примењујемо формулу за кинетичку енергију: \[ E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} = \frac{1200\text{ kg} \cdot (20\text{ m/s})^2}{2} = \frac{1200 \cdot 400}{2} = 240\,000\text{ J} = 240\text{ kJ} \] Одговор: Кинетичка енергија аутомобила је \( 240\text{ kJ} \).
Задатак 3 (средњи): Како ће се променити кинетичка енергија тркача ако он удвостручи своју брзину?
Кинетичка енергија је сразмерна квадрату брзине (\( E_k \sim v^2 \)).
Ако се почетна брзина \( v_1 \) повећа 2 пута (\( v_2 = 2 \cdot v_1 \)): \[ E_{k2} = \frac{m \cdot (2v_1)^2}{2} = \frac{m \cdot 4v_1^2}{2} = 4 \cdot \left(\frac{m \cdot v_1^2}{2}\right) = 4 \cdot E_{k1} \] Одговор: Кинетичка енергија ће се повећати 4 пута.
Задатак 4 (тежак): Тело масе \( 4\text{ kg} \) креће се тако да има кинетичку енергију \( 72\text{ J} \).
а) Одреди брзину којом се тело креће.
б) Ако тело у том тренутку поседује и потенцијалну енергију од \( 128\text{ J} \), колика је његова укупна механичка енергија?
Подаци:
\( m = 4\text{ kg} \)
\( E_k = 72\text{ J} \)
\( E_p = 128\text{ J} \)

а) Из формуле за кинетичку енергију изражавамо брзину: \[ E_k = \frac{m \cdot v^2}{2} \implies 72 = \frac{4 \cdot v^2}{2} \implies 72 = 2 \cdot v^2 \implies v^2 = 36 \implies v = 6\frac{\text{m}}{\text{s}} \] б) Укупна механичка енергија је збир кинетичке и потенцијалне: \[ E = E_k + E_p = 72\text{ J} + 128\text{ J} = 200\text{ J} \] Одговор: Брзина тела је \( 6\text{ m/s} \), а укупна механичка енергија износи \( 200\text{ J} \).

Савладај
домаћи
уз хиљаде решења, лекција и тестова: