Hvernig er stöðuorku breytt í hreyfiorku?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvernig er stöðuorku breytt í hreyfiorku?
Orka hlutar er í stuttu máli geta hans eða hæfileiki til að framkvæma vinnu, en þessi hugtök eru útskýrð nánar hér á eftir.

Stöðuorka og hreyfiorka eru afar nátengd hugtök sem urðu til nokkurn veginn samhliða. Þegar hefðbundin aflfræði (classical mechanics) er kennd nú á dögum er stöðuorka venjulega kynnt fyrst til sögunnar, út frá vinnuhugtakinu.

Vinna krafts er margfeldi krafts og færslu, ef hvorttveggja er reiknað í sömu stefnu. Vinna þyngdarkrafts er þannig margfeldi krafts og hæðarmunar. Þegar krafturinn er ekki fasti (constant) heldur breytilegur með stað hlutarins, eins og þegar hlutur er fastur í gormi, er þetta svolítið flóknara en kjarni máls er þó hinn sami.

Stöðuorka er síðan vinna þess krafts sem þarf til þess að færa hlutinn frá einum stað til annars gegn hinum tiltekna krafti, hvort sem hann er þyngdarkrafturinn eða til dæmis kraftur gormsins á hlutinn.

Hreyfiorka er í stuttu máli orkan sem hlutur hefur vegna hreyfingar sinnar. Hún er skilgreind í hefðbundinni aflfræði sem hálfur sinnum massinn (efnismagnið) sinnum hraðinn í öðru veldi. Hún er því engin ef hluturinn er kyrr en vex tiltölulega hratt með hraðanum. Með aðferðum stærðfræðinnar (örsmæðareikningi) er ekki ýkja erfitt að sýna fram á að við tiltekin algeng skilyrði er breyting á hreyfiorku jöfn vinnu heildarkrafts. Sú niðurstaða er einmitt hvorki meira né minna en undirstaða orkuhugtaksins, forsenda þess að þetta hugtak varð síðan svo mikilvægt í eðlisfræði og í allri hugsun manna.

Þegar hlutur fellur til jarðar úr einhverri hæð, hefur hann tiltekna stöðuorku þegar hann byrjar að falla en hún breytist síðan í hreyfiorku í fallinu, samanber dæmi í lok svarsins.

Það er þessi stöðuorka sem er virkjuð í vatnsaflsvirkjunum og gefur okkur raforkuna heima hjá okkur og annars staðar. Við höfum þá að vísu beislað fossinn eins og það er kallað, þannig að vatnið fellur ekki fram af brúninni í gamla farveginum heldur er orka þess látin knýja hverfla (túrbínur) í virkjuninni. Þar breytist orka þess fyrst í hreyfiorku og síðan í raforku sem er send til neytendenna. Þeir breyta henni aftur eftir eigin hentisemi ýmist til dæmis í varma í hitunartækjum eins og eldavélum og kötlum, brauðristum og örbylgjuofnum, í ljós í hvers konar ljósastæðum eða í hreyfiorku í rafhreyflum eins og almennum mótorum, þeyturum, viftum og svo framvegis.

Hitt er svo annað mál að heitið sem við gefum einhverri tiltekinni mynd orkunnar getur farið eftir samhengi. Í hefðbundinni eðlisfræði og í daglegu lífi er okkur tamt að tala um varma sem eina tegund orku, og auðvitað þarf ekki að vera neitt við það að athuga. En þegar betur er að gáð kemur í ljós að varminn er ekkert annað en hreyfiorka smásærra efniseinda eins og sameinda, frumeinda (atóma) og rafeinda.

Einnig er okkur tamt að tala stundum um efnaorku (chemical energy), til dæmis í eldsneyti eins og bensíni. Þegar við brennum eldsneytinu losnar einmitt þessi orka og breytist í aðrar myndir orku eins og til dæmis hreyfiorku og varmaorku. En þegar betur er að gáð og við förum að skyggnast inn í sameindir og frumeindir kemur í ljós að þessi efnaorka er í rauninni hreyfiorka og stöðuorka rafeinda og atómkjarna í sameindunum.

Nokkrar jöfnur um efni svarsins:

Þyngdarkraftur:

Þ = mg

þar sem m er massinn og g er þyngdarhröðunin sem er um 9,8 m/s².

Vinna þyngdarkrafts á fallandi hlut:

W = mgh

þar sem h er hæðarmunur.

Hreyfiorka:

K = (1/2) m v²

þar sem v er hraði eða ferð og v² táknar að hraðinn er margfaldaður með sjálfum sér.

Stöðuorka eins rúmmetra af vatni í 10 m hæð, nokkurn veginn:

1000 kg * 10 m/s² * 10 m = 100 000 kg m²/s² = 100.000 J (júl, orkueining)

Orkubreyting á sekúndu eða afköst ef foss flytur einn rúmmetra á sekúndu 10 metra niður:

100.000 J/s eða 100.000 W (vött) eða 100 kílóvött (kW).

...