XI. TÖÖ. VÕIMSUS. ENERGIA


Mehaaniline töö


Füüsikas öeldakse, et kui keha liigub mingisuguse jõu mõjul, siis teeb see jõud keha liigutamiseks mehaanilist tööd.

09_01_j6u-m6iste

Auto läbib mootori veojõu mõjul mingisuguse teepikkuse – veojõud teeb auto liigutamiseks mehaanilist tööd.

Mehaanilise töö (A) suurus on võrdeline kehale mõjuva jõuga (F) ja keha poolt selle jõu mõjul läbitud teepikkusega (s).

09_01_t88_valem

kus, A- jõu poolt tehtud mehaaniline töö, mõõdetakse džaulides  (1J), F – keha liigutav jõud, mõõdetakse njuutonites (1N), s – jõu mõjul selle sihis läbitud teepikkus (1m).


Töö ühik


Töö ühikuks on 1 džaul (1J). Töö ühik saadakse, kui korrutada jõu ühik (1N) pikkusühikuga (1m)

09_01_t88_yhik

1J on selline töö, mida teeb 1N suurune jõud liigutades keha edasi 1m võrra.

09_02_t88_yhik

Näiteks kui tõsta 100g massiga keha ühhtlase kiirusega maapinnalt 1m kõrgusele (NB! Keha liigutav jõud peab olema võrdne kehale mõjuva raskusjõuga, mis on F=mg=0,1kg×10N/kg=1N!), on tehtud töö võrdne 1J.


Võimsus


Võimsus on füüsikaline suurus, mis iseloomustab ajaühikus tehtava töö hulka.

09_03_v6imsuse_v6rdlus

Sisuliselt on võimsuse näol tegemist töötamise kiirust iseloomustava suurusega.

Võimsus on võrdeline tehtud tööga ja pöördvõrdeline töö tegemiseks kulunud ajaga:

09_03_v6imsuse_valem

kus N – jõu poolt töötamisel arendatav võimsus, mõõdetuna vattides (1W), A – jõu poolt tehtud mehaaniline töö, mõõdetuna džaulides (1J), t – töötamise aeg, mõõdetuna sekundites (1s)


Võimsuse ühik



Võimsuse ühikuks on 1 vatt (1W). 
Võimsuse ühik saadakse kui jagada töö ühik (1J) ajaühikuga (1s).

09_03_v6imsuse_yhik

1 vatt on selline võimsus, kus igas sekundis tehakse tööd 1 džaul.

09_03_v6imsuse_yhik_pildil

Näiteks kui tõsta 1 sekundiga 100g keha maapinnalt 1m kõrgusele (teha tööd 1J!), on arendatud võimsus võrdne 1W.


Energia. Mehaaniline energia


Energia on füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha (või kehade süsteemi) võimet teha (mehaanilist) tööd.

09_04_kineetiline_energiaKui keha liigub, siis omab ta kineetilist energiat.

07_10_deformeerinud_pallKui keha on vastastikmõjus teiste kehadega, siis omavad need kehad potentsiaalset energiat.

Keha kineetilise ja potentsiaalse energia summat nimetatakse mehaaniliseks energiaks.

Kui keha energia (või mõni selle alaliikidest) muutub, siis on tehtud mehaaniline töö selle muundumise mõõduks see tähendab, et keha energia kahanemine väljendub keha poolt tehtava tööna ning keha energia kasv väljendub kehaga tehtud tööna.


Kineetiline energia


Kõik liikuvad kehad omavad kineetilist energiat

Keha kineetiline energia on võrdeline keha massiga ja ruutvõrdeline keha liikumise kiirusega:

09_04_kin_en_valem

kus Ek – keha kineetiline energia, mõõdetuna džaulides (1J), m – keha mass, mõõdetuna kilogrammides (1kg), v – keha kiirus, mõõdetuna meetrites-sekundis (1m/s).


Potentsiaalne energia


Kõik vastastikmõjus olevad kehad omavad potentsiaalset energiat.

Kui mingi keha on tõstetud Maa pinnalt mingisugusele kõrgusele, siis mõjub nende kehade vahel raskusjõud – järelikult omab maapinnalt üles tõstetud keha potentsiaalset energiat.

Maapinnalt üles tõstetud keha(le mõjuva raskusjõu) potentsiaalne energia on võrdeline keha massiga  ning keha kõrgusega maapinnast:

09_04_pot_en_valem

09_04_pot_energiakus, Ep – keha(le mõjuva raskusjõu) potentsiaalne energia, mõõdetuna džaulides (1J), m – keha mass, mõõdetuna kilogrammides (1kg), h – keha kõrgus maapinnast, mõõdetuna meetrites (1m) ning g =9,81N/kg ≈ 10 N/kg – raskusjõu tegur maapinnal.

Kui keha tõuseb maapinnast kõrgemale, siis tema potentsiaalne energia kasvab, kui ta liigub aga maapinnale lähemale, siis potentsiaalne energia kahaneb.


Energia jäävuse seadus


Energiat ei teki ega kao iseenesest, vaid see võib muunduda ühest liigist teise või kanduda ühelt kehalt teisele.

Selle seaduse üheks erijuhuks on mehaanilise energia jäävuse seadus: Keha mehaaniline energia on jääv juhul, kui süsteemis ei esine hõõrdumist.

Olgu keha kineetiline energia vaatluse alghetkel Ek1 ja potentsiaalne energia Ep1 ja keha kineetiline energia mingil järgneval hetkel Ek2 ja potentsiaalne energia samal hetekel Ep2.

Kui kehale ei mõju hõõrdejõudu, siis kehtib mehaanilise energia jäävuse seadus:

09_04_enj22vuse_valem1

See tähendab, et kui mingisugusel kehal (kehade süsteemil) on mingisugusel ajahetkel mingisugune hulk (kineetilist ja/või potentsiaalset) energiat, siis on tal samasugune hulk energiat ka mistahes teisel ajahetkel. Samas kineetilise ja potentsiaalse energia hulk eraldi võetuna võib muutuda ehk nii palju kui üks energialiikidest kasvab peab teine kahanema!

Kui aga keha mehaaniline energia muutub, on see märk, et keha teeb tööd või kehaga tehakse mehaanilist tööd.

09_04_energia_j22vus

Ülemisel pildil muundub tõstetud haamri potentsiaalne energia kineetiliseks ning seejärel muundub kineetiline energia tööks, mis on tarvis teha naela lauda löömiseks. Alumisel pildil muundub pingutatud vibunööri potentsiaalne energia vibunoole kineetiliseks energiaks. Milleks võib muunduda noole kineetiline energia?


Lihtmehhanismid


Seadeldisi, mis annavad töö tegemisel võitu jõus, nimetatakse lihtmehhanismideks.


Kang


Kui mingile kehale, mis ei saa pöörelda, mõjub piisava suurusega jõud, hakkab keha selle jõu sihis liikuma.

09_05_kang

Kui keha saab pöörelda ümber oma telje, siis hakkab keha temale mõjuva jõu mõjul hoopis pöörlema. Jõu pöörav mõju sõltub jõu suurusest, aga ka sellest, millisele kohale jõud kehas mõjub – rakenduspunktist.

Kang on mudel, mille abil saame kirjeldada jõu(dude) pööravat mõju kehadele.

Punkti, mille ümber kang pöörelda saab, nimetatakse kangi toetuspunktiks O (sest tavaliselt toetub kang selles kohas teisele kehale)

Punkte, kuhu mõjuvad kangi pööravad jõud – A ja B, nimetatakse nende jõudude rakenduspunktideks

Kaugust toetuspunktist rakenduspunktini mõõdetuna pikki kangi, nimetatakse jõu õlaks (L1 ja L2).


Kangi tasakaalutingimus


Saab näidata, et kang on tasakaalus – see tähendab, et ta ei pöörle – siis kui kangi erinevatele osadele mõjuvad jõud on pöördvõrdelised nende jõudude õlgadega:

09_05_kangi_valem

kus F1 – kangi ühel pool toetuspunkti mõjuv jõud, d1 – jõu F1 õlg; F2 – kangi teisel pool toetuspunkti mõjuv jõud, d2 – jõu F2 õlg – jõudusid mõõdame njuutonites (1N), õlgu meetrites (1m)

Seega – mida lähemal on jõu rakenduspunkt toetuspunktile (mida lühem on jõu õlg), seda suuremat jõudu tuleb kangi tasakaalus hoidmiseks rakendada ja vastupidi – mida pikem on jõu õlg, seda nõrgemat jõudu läheb kangi tasakaalustamiseks tarvis.


Kang kui lihtmehhanism


Kang ongi kõige lihtsam lihtmehhanism – mida pikema jõu õla me kangil valime, seda väiksemat jõudu peame sellele rakendama teisel pool toetuspunkti kangi mõjutava keha liigutamiseks. Samas peame teisel pool toetuspunkti asetseva keha liigutamiseks liigutama seda otsa, millele ise jõuga mõjume palju pikema lõigu võrra.

Kangi põhimõttel töötavad ka kiiged, käärid, naelakangid jms

 


Pöör. Kaldpind.  Kiil. Hammasülekanne


Lihtmehhanismideks, mis annavad samuti võitu jõus, on veel:

Pöör, mis koosneb vändast (hoorattast) ja võllist. Vända raadius on võlli raadiusest palju suurem – järelikult peame nööriga võlli külge kinnitatud keha liikuma panemiseks rakendama väiksemat jõudu, aga meie käed läbivad selle liigutamiseks pikema vahemaa kui võllile keritava nööri pikkus.

09_05_kaldpind

Kaldpind, mis jagab raskusjõu mitmeks komponendiks ning keha maapinnast kõrgemale liigutades tuleb kehale rakendada väiksemat jõudu, kuid keha kaldpinda mööda üles liigutades läbib keha oluliselt pikema vahemaa, kui otse teda soovitud kõrgusele tõstes.

Kiil on kaldpinna erivorm, mis on mõeldud rõhumisjõu jagamiseks mitmeks erisuunaliseks komponendiks. Seda saab kasutada kehade (näiteks küttepuude) lõhkumisel tükkideks;

09_05_kruvi

Kruvi, mis koosneb ühest otsast jämedamast ja teises peenemast keermest ning milles ka­su­tatakse asjaolu, et jämedamale otsale mõjuv pöörav jõud avaldab peenemas otsas suuremat mõju;

Plokk – mis koosneb rattakesele heidetud nöörist ning selle abil on või­ma­lik muuta jõu mõjumise suunda – selle asemel, et tõsta raskust ver­ti­kaalselt üles, saame nööri tõmmata kaldu – taoliselt saame väiksema jõuga tõsta nööri teise otsa kinnitatud raskust.

Hammasülekanne koosneb omavahel vahetult või näiteks ketiga ühen­da­tud hammasratastest – pöörates suuremat hammasratast mingi jõuga saavutame seeläbi väiksemale hammasrattale mõjuva suurema pöörava jõu.


Mehaanika kuldreegel


Ühegi lihtmehhanismi kasutamine ei anna meile võitu töös, sest nii mitu korda kui me võidame kehale rakendatavas jõus, kaotame selle liigutamisel teepikkuses.

Liigutades keha mööda kaldpinda üles, peame teda lükkama küll väiksema jõuga, kuid läbima selle võrra pikema tee, hammasülekande korral rakendame suuremale hammasrattale küll väiksemat jõudu, aga peame tegema mitu pööret samal ajal kui väiksem teeb vaid ühe jne.


Kasutegur


Töö, mida tehakse mehhanisme kasutamata, nimetatakse kasulikuks tööks. Kui töö tegemiseks kasutatakse mehhanisme, siis nimetatakse tehtavat tööd kogutööks. Mõõtmised näitavad, et kogutöö on alati kasulikust tööst suurem.

Kasutegur (η – eeta) iseloomustab seda, mitu korda (tavaliselt protsentides) erineb kasulik (Akasulik) töö kogutööst (Akogu).

09_05_kasuteguri_valem

Advertisements