Arbeid, energi og effekt

Det er mulig å regne ut hvor mye arbeid vi gjør, i fysisk forstand. Av og til er det enkelt, for eksempel hvis man skal dra en kasse bortover et jevnt, flatt gulv. Andre ganger er det vanskelig, som når man skal grave opp jord og stein fra en grøft. Prinsippet for beregningene er at man bruker en viss kraft i en viss tid for å overvinne friksjon, eller for å flytte et legeme til et sted med høyere energi. Hvis vi drar en kasse bortover et gulv, snakker vi om hvor mye arbeid vi "gjør på" kassen. Det er fordi det gjerne er det vi vil fram til, men samtidig "gjør" vi mye arbeid på vår egen kropp mens vi utfører arbeidet på kassen, men det bryr vi oss ikke så mye om (kanskje fordi det er vanskelig å beregne).

Vi kan lage oss en oversikt over arbeid vi utfører mange ganger i løpet av en dag:

• Vi overvinner friksjon, som blir til varme til omgivelsene.
• Vi aksellererer og bremser ting vi flytter rundt.
• Vi løfter ting til en høyere posisjon, slik at energien lagres som potensiell energi.
• Vi kaster ting, slik at de får kinetisk energi.

For å klare å skyve en gjenstand bortover et flatt, horisontalt underlag må du minst bruke så mye krefter:

Når du skal skyve noe oppover et skråplan, må du både overvinne tyngdekraften og friksjonen. Dess brattere skråplanet blir, dess mindre blir friksjonskraften, mens tyngdekomponenten langs skråplanet øker. Sin v og cos v er sinus og cosinus til skråplanets helningsvinkel.

Når du skyver gjenstanden nedover skråplanet, får du hjelp av tyngdekraften, så da blir formelen slik:

Du kan også løfte enden av skråplanet så høyt at gjenstanden akkurat glir nedover av seg selv. Regn ut vinkelen fra formelen nedenfor, og se som det stemmer med det du leser av fra diagrammene i simuleringen.

Når du skyver en ting oppover skråplanet, tilfører du den stillingsenergi eller potensiell energi. Det er energi som kan utløses hvis tingen faller ned eller sklir ned skråplanet igjen. Hvor mye energi som er tilført i simuleringen vår, kan finnes med utregningen nedenfor.

$$E_{pot}$$ er potensiell energi, m er massen til gjenstanden, g er tyngdens akselerasjon, h er høyden, l er lengden langs skråplanet, og v er helningsvinkelen på skråplanet:

Energien som brukes på å overvinne friksjon, går over til varme.

$$E_{friksjon}$$ er friksjonsenergien, normalkraften er kraften vinkelrett på underlaget, g er tyngdens akselerasjon, og s er avstanden som er tilbakelagt.

Hvis du legger ned skråplanet og gjør kontakten med bakken friksjonsløs, kan du gi gjenstanden en fart som den fortsetter med også etter at du slutter å skyve. Sett simuleringen på pause slik at du kan lese av farten og beregne den kinetiske energien til gjenstanden. Kontroller mot energidiagrammet.

$$E_{\mathrm{kinetisk}}$$ er kinetisk energi, m er massen, og v er farten.

Effekt er et begrep som forteller noe om hvor raskt vi klarer å gjøre et arbeid. Vi kan gjøre en viss mengde arbeid med liten effekt over lang tid, eller vi kan gjøre det samme arbeidet på kortere tid, med større effekt. Effekt er altså arbeid per tidsenhet.