Ebben a cikkben egy másik fizikai mennyiségre szeretnék koncentrálni, ez pedig az erő.
Az erő két test, vagy a fizikai mezők (gravitációs tér és elektromos mező) és a test kölcsönhatásából adódik.
Az erő mértékegysége Newton N.
Az 1N erő azt az energiamennyiséget (mechanikai munkát) fejezi ki, amelyet az egyik test 1 s egységnyi idő alatt elad egy másik testnek.
Képlet az erő kiszámításához F = m * a.
F = erő, m = tömeg, a = gyorsulás,
Az F erő egy m tömegű testnél a gyorsulást okoz.
Ahhoz, hogy egy 5 kg súlyú test 1 mp alatt elérje a 2 m/s sebességet, 10 N erőnek kell hatnia rá.
a = v/t = 2/1 = 2m/s 2, F = m * a = 5 * 2 = 10N,
1 másodperc alatt a 10N erő végzi a munkát = W * F * t = 10 * 1 = 10J
W = F * s = 0,5 * m * v2 = 0,5 * 5 * 2 2 = 10J,
Ebben az esetben a mindkét képlet szerint elvégzett munka mennyisége megegyezik.
Annak érdekében, hogy az 5 kg-os test 4 m/s sebességet érjen el, 10 N erőt kell kifejteni 2-szer, hosszabb ideig 2 s-ig.
2 másodperc múlva a 10N erő elvégzi a munkát W = F * t = 10 * 2 = 20J
W = F * s = 0,5 * m * v2 = 0,5 * 5 * 4 2 = 40N,
A sebesség kétszeresének eléréséhez ugyanazon erőnek ugyanabban a testtömegben kétszer több munkát kell végeznie, és nem négyszer, mivel ez a munka kiszámításának érvényes képletén alapul.
Az egyenletesen gyorsított mozgással végzett munka tényleges mennyisége csak a W = F * t képlet alapján számítható ki!
Ahhoz, hogy az m tömegű test elérje a v sebességet, mindig azonos mennyiségű W munkát kell végrehajtani, függetlenül az alkalmazott erő nagyságától.
Ha F erőt használok, akkor egy m tömegű testnek gyorsulása lesz a, és v sebessége eléri a t időt.
F = 20N, m = 2kg, v = 10m/s, a = F/m = 20/2 = 10m/s 2 .
t = v/a = 10/10 = 1s. W = F * t = 20 * 1 = 20J,
Ha 2F erőt alkalmazok, akkor egy m tömegű testnek gyorsulása lesz 2a, és v sebessége idővel eléri a 0,5t.
F = 40N, m = 2kg, v = 10m/s, a = F/m = 40/2 = 20m/s2,
t = v/a = 10/20 = 0,5 s W = F * t = 40 * 0,5 = 20J,
Ha 0,5F erőt használok, akkor egy m tömegű test gyorsulása 0,5a lesz, és a v sebesség idővel eléri a 2t.
F = 10N, m = 2kg, v = 10m/s, a = F/m = 10/2 = 5m/s2,
t = v/a = 10/5 = 2s, W = F * t = 10 * 2 = 20J,
Ahhoz, hogy az m tömegű test elérje a v sebességet, mindig ugyanannyi munkát kell elvégezni, függetlenül az alkalmazott erő nagyságától. A nagyobb teljesítmény rövidebb ideig és kevesebb energia hosszabb ideig működik.
Csak az F erő által t idő alatt végzett, egyenletesen gyorsított mozgással végzett munka tekinthető kinetikus energiának. Ek = W = F * t = m * v.
Egyenletesen felgyorsított mozgás esetén az F erő nem működik a teljes pályán, amelyet a munka kiszámításához az érvényes képlet figyelmen kívül hagy, és ezért az érvényes W = F * m képlet szerint sokkal nagyobb munkát kapunk.
Az erő csak a sebességváltozás során végzi a munkát.
10m/s 2 gyorsulás esetén a test 1 mp alatt 0m/s-ról 10m/s-ra, vagy 10m/s-ról 20m/s-ra, vagy 20m/s-ról 30m/s-ra változtatja a sebességet. Minden sebességváltozással a test 1 * s alatt megteszi a 0,5 * a = 5 m távolságot.
Noha a test 45 m-t halad 3 másodperc alatt, az erő csak a pályán 3 * 5m = 15m végez munkát.
A W = F * s képlet szerint csak a környezet súrlódásának és ellenállásának leküzdéséhez szükséges munkát lehet kiszámítani. Ez a munka nem tekinthető kinetikus energiának, mert a mozgás során felemészti a környezet súrlódását és ellenállását.!
A súrlódás minden mozdulatnál bekövetkezik. A súrlódás leküzdéséhez szükséges erő a képlet alapján számítható, Ft = fo * Fn
Ft = súrlódási erő
fo = súrlódási együttható nyugalmi állapotban.
Fn = a mozgás irányára merőleges erő (gravitáció).
A sebesség és az idő nincs hatással a súrlódás leküzdéséhez szükséges munkára, ezért csak a súrlódási erőtől és a pályától függ. Az s távolságon belüli súrlódás leküzdéséhez szükséges munkát a W = Ft * s képlet alapján számíthatjuk ki.
Ft = súrlódási erő
A súrlódás legyőzéséhez szükséges munka a súrlódás leküzdése érdekében a mozgás során felemészthető, ezért nem tekinthető kinetikus energiának.
Ugyanez vonatkozik a gravitáció legyőzéséhez szükséges pályára.
Fg = gravitációs erő
A sebesség és az idő nincs hatással a gravitáció leküzdéséhez szükséges munkára, ezért csak a gravitációs erőtől és a pályától (magasság) függ. A gravitáció legyőzéséhez szükséges munka a gravitáció legyőzéséhez szükséges mozgás során merül fel, ezért nem tekinthető kinetikus energiának.