III.4. Energia cinetică.

Energia mecanică (E) este mărimea fizică ce caracterizează capacitatea unui corp de a efectua lucru mecanic.

Unitatea de măsură pentru energie este joulul (J).

O altă unitate de măsură pentru energie este caloria: 1 cal = 4,18 J

🔦 Observație

Energia poate fi de mai multe tipuri: energie mecanică, energie termică, energie electrică și magnetică, energie luminoasă, energie chimică, energie nucleară etc.

Energia şi omul

Noi, oamenii, spunem de multe ori că suntem plini de energie și suntem capabili să facem eforturi pentru diferite activități: desenare, alergare, jocuri, învățare și alte activități fizice sau intelectuale. Fiecare tip de activitate este caracterizat de un anumit consum de energie.

Exemple de costuri energetice pe oră pentru un adult:

Chiar și când dormim consumăm o energie de 200 kJ (45 de calorii);
Cititul sau scrisul consumă 500 kJ;
Mersul pe jos: 900 kJ;
Mersul cu bicicleta: 1000 kJ (260 kcal);
Patinaj pe gheață sau pe role: 2000 kJ (480 kcal);
Alergarea: 2100 kJ;
Înotul: 2400 kJ;
Fotbal: 2600 kJ (620 kcal).

Când suntem obosiți spunem că nu mai avem energie și capacitatea noastră de a desfășura diferite activități scade foarte mult.

De unde își ia omul energie ? Hrana este principala sursă de energie a tuturor ființelor. Cele mai bogate în energie sunt alimentele grase și dulciurile.

👀 Experiment: Energia cinetică

Materiale necesare:
2 mașinuțe de mase diferite, plan înclinat din carton, o cutiuță de carton.

Descrierea experimentului:

Așază la baza planului înclinat cutiuța.
Pune pe planul înclinat o mașinuță și las-o să alunece pe planul înclinat.
Ce observi ?

Mașinuța în mișcare deplasează cutia de la bază planului.

Corpurile în mișcare pot să efectueze lucru mecanic, deci au energie, numită energie cinetică (de la cuvântul grecesc “kineticos“ care înseamnă “mișcare“ ).

Așază la baza planului înclinat cutia.
Pune pe planul înclinat o mașinuță mai grea și las-o să alunece pe planul înclinat.
Repetă experimentul punând pe planul înclinat o mașinuță mai ușoară.
Apreciază cât se deplasează cutia de la baza planului, în fiecare caz.

Mașinuța grea deplasează mai mult cutia de la bază planului decât mașinuța ușoară.

Energia cinetică a unui corp în mișcare depinde direct proporțional de masa corpului.

Înclină mai mult planul înclinat pentru a imprima o viteză mai mare mașinuței.
Așază la baza planului înclinat cutia .
Pune pe planul înclinat mașinuța mai grea și las-o să alunece pe planul înclinat.
Observă cât deplasează cutia de la baza planului în acest caz.

Mașinuța cu viteză mai mare deplasează mai mult cutia de la bază planului decât mașinuța cu viteza mai mică.

Energia cinetică a unui corp în mișcare depinde de viteza corpului.

Energia cinetică (Ec) este energia pe care o are un corp în mișcare.

Energia cinetică a unui corp în mișcare, cu o anumită viteză se calculează cu formula:

🔦 Observație

Dacă o forță acționând asupra unui corp, efectuează un lucru mecanic motor, energia cinetică a corpului crește. De exemplu când sportivul lovește o minge, aceasta este pusă în mișcare și energia cinetică a mingii crește.
Dacă o forță acționând asupra unui corp, efectuează un lucru mecanic rezistent, energia cinetică a corpului scade. De exemplu când șoferul apasă pedala de frână, mașina frânează sau chiar se oprește și energia cinetică a mașinii scade.

Legea variației energiei cinetice:

“Variația energiei cinetice a unui corp (ΔE_c) este egală cu lucrul mecanic (L) al forțelor ce acționează asupra corpului“:

🔓 Probleme rezolvate

1. Un autoturism se deplasează cu viteză constantă pe o șosea rectilinie. La semaforul roșu, șoferul frânează, mașina oprindu-se după 40m. Știind forța de frecare de 2000 N, ce energie cinetică a avut mașina înaintea începerii frânării ?

Rezolvare:

Scriem datele problemei și transformăm în SI:
v = constantă
F_f = 2000 N
d = 40 m
E_ci =? (energia cinetică inițială )

Reprezentăm forțele ce acționează asupra mașinii:

Calculăm lucrul mecanic al tuturor forțelor ce acționează asupra corpului și apoi lucrul mecanic total:
L_Ff = - F_f ∙ d = - 2000 N ∙ 40 m = - 80000 J
L_G = 0 J și L_N = 0 J (deoarece G și N sunt perpendiculare pe direcția mișcării corpului).
L_total = L_Ff + L_G + L_N = - 80000 J + 0 J + 0 J = -80000 J

Calculăm variația energiei cinetice
ΔE_c = E_cf - E_ci = 0 - E_ci = - E_ci , deoarece E_cf = 0 (energia cinetică finală este 0 deoarece mașina s-a oprit și v_f = 0).

Egalăm variația energiei cinetice cu lucrul mecanic (Legea variației energiei cinetice):
ΔE_c = L
-E_ci = L_total
-E_ci = - 80000 J
E_ci = 80000 J

2. O motocicletă de 230 kg pornește din repaus și ajunge la viteza de 20 m/s după ce parcurge 30 m, pe un drum orizontal. Calculează forța de tracțiune a motorului, dacă forța de frecare este de 500 N.

Rezolvare:

Scriem datele problemei:
m = 230 kg
v_i = 0
v_f = v
d = 30 m
F_f = 500 N
F = ?

Reprezentăm forțele ce acționează asupra motocicletei:

Calculăm lucrul mecanic total prin adunarea lucrurilor mecanice ale forțelor ce acționează asupra corpului:
L_F = F ∙ d = F ∙ 30
L_Ff = - F_f ∙ d = - 500 N ∙ 30 m = - 15000 J
L_G = 0 J și L_N = 0 J (ambele forțe sunt perpendiculare pe direcția mișcării corpului).
L_total = L_F + L_Ff + L_G + L_N = F ∙ 30 – 15000 + 0 + 0 = F ∙ 30 – 15000

Calculăm variația energiei cinetice
ΔE_c = E_cf - E_ci = E_cf - 0 = E_cf, deoarece E_ci = 0 ( mașina a pornit și în repaus avea v_i = 0).

Egalăm variația energiei cinetice cu lucrul mecanic (Legea variației energiei cinetice):
ΔE_c = L_total
46000 = F ∙ 30 – 15000
F ∙ 30 = 46000 + 15000
F = 2033,33 N

Distanţa de frânare

Distanța de frânare a mașinilor este distanța necesară opririi unei mașini, cu ajutorul frânelor. Ea depinde de mai mulți factori :

Cu cât viteza este mai mare, cu atât și distanța de frânare este mai mare. Iată de ce există limitări de viteză.
Când aderența la sol este redusă (polei, ploaie, pneuri uzate), distanța de frânare crește.
Cu cât vehiculul are masa mai mare (un tir încărcat poate avea 40 de tone), cu atât distanța de frânare este mai mare. De exemplu un camion de 40 t are nevoie de 86 m pentru a se opri complet de la 90 km/h.