Fyzika na i-vysílání 4

17. srpna 2017 v 8:39 | dvě TeReziA |  Příroda a Přírodní vědy

Rande s Fyzikou na i-vysílání 4

Tíha, těžiště a beztížný stav

Hmotnost je jednou ze základních vlastností hmoty.
Každé těleso má nějakou hmotnost, kterou uvádíme v kilogramech.
Asi všichni jste se už setkali s takovým závažím, takže tušíte, jak velká hmotnost je 1 kilogram.
Rozpačitý
Naproti tomu tíha je síla.
Je to síla, kterou působí těleso v gravitačním poli Země na nějakou pevnou podložku, anebo kterou těleso působí na nějaký závěs, jako v tomhle případě, kdy těleso, čili studentka Nikola, působí tíhou na tyč prolejzačky.
Každopádně tíha je důsledek gravitačního působení Země.
Pro tíhu, stejně jako pro každou jinou sílu, platí druhý Newtonův zákon, tedy zákon síly.
Podle něj se tíha, kterou značíme "G", rovná hmotnosti "m" násobené tíhovým zrychlením "g".
Tohle závaží má hmotnost 1 kilogram.
Když hmotnost vynásobíme tíhovým zrychlením, které je 9,81 metrů za sekundu na druhou, zjistíme, že závaží působí na moji dlaň tíhou 9,81 Newtonů.
Šlápnul vedle
V hovorové řeči někdy hmotnost a tíhu zaměňujeme, ale fyzikálně jsou to dvě úplně rozdílné veličiny.
Po dopadu začalo Nikolino tělo opět působit tíhou, tentokrát na zemský povrch.
Když je těleso umístěno na podložce nebo je někde zavěšeno, působí tíhou a je v takzvaném stavu tíže.
A když působení tíhy zmizí, tak se těleso nachází ve stavu beztíže, což není zas tak neobvyklá situace,
jak by se mohlo zdát.
Takže ve chvíli seskoku se Nikola opravdu nacházela v beztížném stavu?
Přesně tak! Beztížný stav může nastat i v silném gravitačním poli.
Zamračený
Asi nejznámějším případem beztížného stavu je pobyt kosmonautů ve vesmírné lodi na oběžné dráze okolo Země.
Ve výškách kolem 400 kilometrů, kde se nejčastěji létá, je stále velmi silné gravitační pole.
Jak kosmonauti, tak vesmírná loď, jsou de facto pořád ve volném pádu, ale zároveň se řítí první kosmickou rychlostí po oběžné dráze okolo Země, takže na ni nedopadnou.
A i když na ně působí gravitace, tak oni nepůsobí například tíhou na podlahu lodi a jsou tedy ve stavu beztíže.
Víte, proč je ve vesmírné lodi beztížný stav?
Většina z nás má pocit, že beztížný stav může nastat jenom tam, kde nepůsobí gravitace nebo tíhová síla.
To ale není pravda.
Chtělo by to nějaký nezpochybnitelný důkaz.
Smějící se
Při skocích na trampolíně se skokan kromě okamžiku odrazu a dopadu neustále nachází v beztížném stavu.
Touhle vzdálenou kamerou budeme sledovat Adélčin let a uvidíme charakteristické záběry beztížného stavu.
Když si vedle sebe stejně jako kosmonauti odloží například kladivo, zůstane tohle kladivo plavat vedle ní.
Beztížný stav mohou zažít cestující v letadle při turbulencích, kdy se letadlo propadne i o desítky metrů.
Beztížný stav zažívá i posádka závodního vozu při dlouhém skoku přes terénní nerovnost.
Beztížnému stavu je vystaven parašutista v první fázi letu při seskoku padákem a beztížný stav můžeme zažít
i na některých atrakcích v lunaparku.
Usmívající se
Tíha má v životě ještě jedno praktické využití
Díky jejímu působení můžeme zjišťovat hmotnost těles, tedy vážit je.
Většina běžně užívaných vah neměří totiž přímo hmotnost těles, ale jejich tíhu v gravitačním poli Země, ať už prostřednictvím tahové síly u závěsných vah, anebo tlakové síly u plošinových vah.
Ukazovala by váha stejně tady, jako na Měsíci?
Pravdu máte samozřejmě vy, co si myslíte, že naše pozemské váhy by na Měsíci ukazovaly úplně jiné hodnoty.
Vysvětlení je jednoduché.
Hmotnost tělesa je všude ve vesmíru stejná, ale gravitační síla na Měsíci, která na těleso působí, je slabší, tudíž i tíha je menší.
Váhy na Měsíci by ukazovaly hodnotu menší, zhruba šestkrát.
Překvapený
Tady v Liberci mají zajímavé zařízení, které vám ukáže, co by váhy naměřily na různých planetách.
Tohle je hodnota z Měsíce.
Tolik by ukázala váha na Venuši.
A takhle bych dopadla na Marsu.
Ukázali jsme si, že nikdy nesmíme míchat hmotnost, tíhu a gravitační sílu.
S vyplazeným jazykem
Hmotnost je vlastnost tělesa, kdežto tíha a gravitační síla jsou dvě rozdílné síly, které se mimo jiné liší
i svým působištěm.
U tíhy je působiště v místě styku tělesa s podložkou nebo závěsem, kdežto u gravitační síly je působiště v takzvaném těžišti tělesa.
Nerozhodný
Co to vlastně je, těžiště tělesa?
Těžiště je bod, kterým můžeme těleso nahradit, a účinky tíhové síly na tento bod jsou stejné, jako účinky tíhové síly na celé těleso.
A kde najdu těžiště toho tělesa?
Pokud máme nějaká geometricky symetrická tělesa, jsou to tělesa homogenní, čili látkově stejnorodá,
tak těžiště je v geometrickém středu.
Pokud máme ale nějaká složitější, případně nehomogenní tělesa, tak může být těžiště v nejrůznějších místech.
Tady u toho ptáčka ho máme třeba tady pod jeho ocáskem.
No a jak teda poznám, kde je těžiště u takhle nepravidelných těles?
Nejjednodušší metoda je zavěšovat těleso v různých bodech a kreslit si na něj svislice.
Tak, teď jednu takovou svislici nakresli.
A teď zavěsíme těleso ještě v nějakém jiném bodě, například tady. Pěkně podle provázku.
Průsečnice těchto těžnic označuje těžiště.
Když se dvě nebo víc těles pevně spojí, vytvoří soustavu, a taková soustava pevně spojených těles má jedno společné těžiště.
Mrkající
My si to můžeme ukázat na příkladu dvou lidských těl.
Vzhledem k mému těžišti, nespadnu, protože důležitější je, že naše společné těžiště je stabilní a může být i mimo naše těla.
Těžiště lidského těla se nachází ve výšce druhého křížového obratle, přičemž platí, že ženy mají těžiště asi o 2 procenta níže, než muži.
Když s dívkou vytvoříte soustavu těles, vaše nové společné těžiště bude níž, než bylo to vaše původní
a vy tím získáte větší stabilitu.
My si z knížek postavíme věž.
Dokud dodržíme základní pravidlo, že společné těžiště celé soustavy knih bude umístěno nad plochou
té nejspodnější z nich, věž zůstane stát.
Pokud ovšem přiložíme knihu tak, že se těžiště posune mimo podstavu, celá věž spadne.
Stejné pravidlo platí u nejrůznějších šikmých staveb, například u šikmé věže v Pise.
Ta bude stát tak dlouho, dokud bude mít těžiště nad svými základy.
Takže je opravdu namístě zastavit její další nahýbání.
Rozpačitý
A závěrem mám pro vás takovou malou fyzikální hádanku.
Všimli jste si, že když vozíčkáři jedou do kopce, že při tom couvají?
Příčina je v těžišti. Když se posadím do vozíku, tvořím s ním soustavu těles s jedním společným těžištěm. Jak na tohle těžiště působí tíhová síla při jízdě popředu. Těžiště se snadno může dostat
až za zadní nápravu kol. V takovém případě by vozík ztratil rovnováhu a převrhnul se dozadu.
A jak bude situace vypadat, když budu na vozíčku couvat? Při jízdě pozadu se těžiště posouvá
více mezi přední a zadní nápravu kol. Vozík je tak mnohem stabilnější.
Takže až potkáte někoho na invalidním vozíku, určitě mu pomozte. Vyjet takový kopec není vůbec jednoduché. Je to obrovská práce a vyžaduje spoustu energie.

Tření a valivý odpor

Když začnu na sáňky působit tažnou silou, uvedu je do pohybu.
Dokud budu tahat, sáňky pojedou dál, jenomže vzpomeňte si na druhý Newtonův zákon, tedy zákon síly.
Kde je síla, musí být i zrychlení.
Sáňky jedou jenom rovnoměrným přímočarým pohybem.
To se dá vysvětlit jediným možným způsobem.
K tažné síle musí existovat nějaká stejně velká síla, ale působící opačným směrem.
Účinky obou sil se pak navzájem kompenzují a sáňky mohou klidně setrvávat v rovnoměrném pohybu bez zrychlení.
Tou opačnou silou je třecí síla a způsobuje ji tření, v tomhle případě tření smykové.
S plně naloženými sáňkami najednou nehnu.
Sama jsem se sáňkami ani nehnula, ale když už jsou jednou v pohybu, utáhnu je.
To si zaslouží vysvětlení odborníka.
Šlápnul vedle
Jak je možné, že těleso, se kterým jsem na začátku ani nehnula, jsem po roztlačení v pohodě utáhla?
To je tím, že existují dva druhy tření?
Statické a dynamické.
Statické tření je mezi tělesy, které jsou vůči sobě v klidu, když se snažíme jimi pohnout, a dynamické tření se projevuje, když se tělesa vůči sobě pohybují.
To statické tření má maximální hodnotu větší, než je hodnota dynamické třecí síly.
A jde tření nějak změřit?
Třecí síla se dá změřit.
Zamračený
Nakonec můžeme si to ukázat.
Tady máme dvě tělesa.
Podíváme se, jakou mají tíhu.
-1,5 Newtonu.
Pomocí tady toho siloměru budeme táhnout kvádr po prkně.
Síla, kterou ukáže siloměr, je stejně velká, jako třecí síla.
-0,3.
A teď tu tíhu zdvojnásobíme.
Znova táhneme.
0,6 Newtonu.
Je evidentní, že u tělesa s větší tíhou jsme zaznamenali větší hodnotu třecí síly.
To znamená, že třecí síla "Ft" je přímo úměrná tíze "G" smýkaného tělesa.
Ano, ale tak je to jenom tehdy, když smýkáme těleso po vodorovné rovině.
Pokud máme nějakou šikmou plochu, musíme tíhovou sílu rozložit a třecí síla je úměrná jenom té složce tíhy, která je kolmá k podložce, takzvané normálové složce tíhové síly.
Závislosti třecí síly na tíze se využívá všude tam, kde potřebujeme z nějakého důvodu zvýšit tření,
například u lokomotiv.
Aby kola lokomotivy neprokluzovala, je potřeba co nejvíce zvýšit tření.
Toho lze dosáhnout zvyšováním hmotnosti a tím pádem i tíhy lokomotivy.
Smějící se
Na čem dalším závisí velikost tření?
Tak závisí například trochu na rychlosti, ale hlavně závisí na charakteru styčných ploch.
Styčné plochy můžeme charakterizovat, popsat součinitelnost smykového tření, většinou ho značíme písmenkem "f".
A velikost třecí síly se dá vypočítat jako tíha krát součinitel smykového tření.
Můžeme si ukázat, že součinitel smykového tření se liší v závislosti na použitém materiálu.
Máme tady připraveny dva druhy povrchu. Jeden je drsnější a jeden je hladší.
Teď budeme táhnout kvádr po jednom a druhém povrchu.
Srovnáme-li nezbytnou třecí sílu v obou případech, vidíme, že hladší povrch působil menší třecí silou.
Takže se dá říct, že čím hladší povrch, tím menší tření?
Dá se to tak říct, ale neplatí to úplně vždycky.
Navíc můžeme povrch namazat a potom bude třecí síla menší.
Usmívající se
Existuje vůbec nějaký jednoduchý způsob, jak zjistit hodnotu součinitele smykového tření?
Existuje.
Hodnotu součinitele smykového tření, ať už je to tření statické nebo dynamické, zjišťujeme většinou experimentálně.
Vypočítáme ho potom tak, že vydělíme třecí sílu velikostí tíhy.
Led má velmi nízký součinitel smykového tření.
Toho lidé využili a vymysleli si řadu sportů, které nízké tření vyžadují, třeba hokej, curling, rychlo nebo krasobruslení.
Ale napadlo by vás, proč to na ledě tolik klouže?
Asi proto, že je zmrzlý, kluzký, hladký, no a brusle má žlábek, takže je to kombinace valivýho a klouzavýho pohybu z hlediska fyziky.
Za nízké tření ledu může tenká vrstva vody na jeho povrchu, která působí jako mazadlo.
Stačí vrstvička několika molekul, která ani nemusí být vidět.
Když je ale led podchlazený na více než -40 stupňů Celsia, vrstva vody se na něm netvoří a led naopak drhne a neklouže.
Naštěstí ale u nás takové mrazy nemáme a můžeme si naplno užívat zimních sportů.
Překvapený
Při každém tření vzniká teplo.
To objevili už naši dávní předkové a intenzivním třením dřeva o dřevo dosahovali zápalné teploty.
Byl to jediný způsob, jak uměle rozdělat oheň.
Lidstvo si vymyslelo jiné prostředky na rozdělávání ohně.
Ale ať už si vezmete sirky nebo zapalovač, stejně vždycky fungují na principu tření.
Teplo, které vzniká při tření, je ale mnohem častěji nevýhodou, než výhodou.
Příkladem je přehřívání nejrůznějších vrtáků a pil.
Zubní vrtačka musí mít chlazení, stejně jako třeba automobilový motor.
Čím je tření způsobováno není dodnes jednoznačně vysvětleno.
Pravděpodobně souvisí s molekulární stavbou látek, ale jedno víme určitě.
S vyplazeným jazykem
Bez tření by náš svět doslova přestal fungovat.
Jak bude vypadat chůze ve světě bez tření.
Podrážky bot by nám klouzaly natolik, že bychom nebyli schopni se zapřít o povrch cesty a odrazit se.
Zůstávali bychom stále na místě.
Jak by to vypadalo, kdyby chtěl člověk ve světě bez tření vylézt třeba na lampu?
Existence tření má pro nás řadu výhod.
Třeba tu, že si můžeme zavázat tkaničky.
Bez tření by totiž žádný uzel nedržel pohromadě.
Jak by to bylo ve světě bez tření s naším oblečením?
Chodili bychom všichni nahatí.
Ve světě bez tření by totiž každý kousek našeho oblečení z nás okamžitě sjel na zem vlivem tíhové síly
a nepomohly by nám ani žádné šňůrky, zipy, ani knoflíky, protože i ty fungují na bázi tření.
No a vlastně tahle lavička by vůbec nedržela pohromadě, protože spojování pomocí šroubků a hřebíků funguje úplně stejně na principu tření.
Nerozhodný
Až doteď jsme se zabývali hlavně smykovým třením.
To nastává všude tam, kde se nějaké těleso smýká po podložce.
Ale tělesa kulovitých tvarů, jako je třeba tenhle pivní sud, nemusíme jenom šoupat, můžeme je taky valit.
I v tomhle případě ale dochází mezi tělesem a podložkou k jasným brzdným účinkům.
To, že se sud i při valení zastaví, dokazuje přítomnost nějaké brzdné síly.
Nejde ale už o tření, ale o valivý odpor.
Valivý odpor má výrazně menší brzdné účinky, než smykové tření.
Mrkající
Toho si všimli lidé už v dávné historii.
Tak například staří Egypťané, když chtěli přemístit nějaké velké těleso, podložili ho kulatinou.
Tři tisíce let před naším letopočtem bylo objeveno kolo.
Od té doby si snižujeme námahu při přemisťování věcí a lidí pomocí nejrůznějších povozů a dopravních prostředků.
Využíváme přitom základního poznatku, že valivý odpor je menší, než smykové tření.
Dalším příkladem užitečného vynálezu, který smykové tření nahrazuje valivým odporem, je kuličkové ložisko.
Abychom si vysvětlili jeho princip, pozvala jsem pár studentů na bowling.
Já si teď stoupnu na připravenou desku... A vy s ní zkuste otáčet!
Musíte překonávat smykové tření, ale já vám to trošku usnadním.
Zkuste teďko pod tu desku dát několik bowlingových koulí.
Jde to snadno, protože teď jste totiž vytvořili kuličkové ložisko, takže nepřekonáváte smykové tření,
ale jenom valivý odpor.

Hybnost a impulz síly

Jenom na samotné hmotnosti totiž při rozbíjení skla nezáleží.
Schválně se podívejte, jak by byli úspěšní ti, kteří si vybrali třikrát lehčí kuličku.
Malá kulička ráže 9 milimetrů dokáže mít mnohem destruktivnější účinky, než hmotnější tenisák.
Rozhodující totiž není hmotnost, ale hybnost.
A co to ta hybnost vlastně je?
Hybnost je hmotnost krát rychlost. Je to fyzikální veličina.
Představit si fyzikální veličinu hybnost není vůbec jednoduché.
V encyklopediích se píše, že hybnost je míra setrvačnosti tělesa.
Dokážete si pod tím něco představit? Já teda ne!
Rozpačitý
René Descartes řekl, že hybnost je množství pohybu v tělese.
Ale asi nejsrozumitelněji se vyjádřil náš odborný poradce Martin Vlach, když řekl, že hybnost je schopnost pohybujícího se tělesa něco rozbít.
Pod tím už si dokážu něco představit.
Fyzikálně je hybnost definovaná jako součin hmotnosti a okamžité rychlosti tělesa.
My si podle tohohle vztahu můžeme vypočítat, jakou hybnost bude mít tahle bowlingová koule, která má pět kilogramů.
Při rychlosti 8 metrů za sekundu je hybnost bowlingové koule 40 kilogrammetrů za sekundu.
Ještě je potřeba dodat, že hybnost je vektorová veličina.
Směr hybnosti je stejný, jako směr rychlosti pohybu tělesa.
Hybnost má každé pohybující se těleso, takže například každé jedoucí auto.
Hmotnost auta se během jízdy nemění, zato rychlost se mění často.
A protože hybnost závisí jak na hmotnosti, tak na rychlosti, s každým bržděním nebo přidáním
plynu se automaticky změní i hybnost.
Šlápnul vedle
Pojďme si s hybností ještě chvíli hrát!
Prozkoumáme, jaké to je, když auto výrazně změní svoji hybnost.
Klasické auto má hmotnost kolem jedné tuny, to je 1000 kilogramů.
Když ho nechám jet stálou rychlostí 15 metrů za sekundu, což je 54 kilometrů v hodině, má tenhle vůz hybnost nějakých 15000 kilogrammetrů za sekundu.
Teď změříme dobu, jak dlouho musíme působit brzdnou silou, abychom auto zastavili do úplného klidu.
Abych změnila hybnost auta o 15000 kilogrammetrů za sekundu, musela jsem brzdit 2 sekundy.
V tomhle případě platí, že změna hybnosti se rovná součinu brzdné síly a času.
Když vynásobíme sílu a dobu, po kterou působí, získáme impuls síly.
Impuls síly má stejnou velikost, jako změna hybnosti, kterou způsobuje, takže když známe změnu hybnosti a dobu, po kterou tahle změna probíhá, můžeme si snadno spočítat působící sílu.
Při mém brždění auta, které trvalo 2 sekundy, byla průběrná brzdná síla 7,5 tisíc Newtonů.
V životě se ale může stát, že stejná změna hybnosti proběhne v mnohem kratším čase.
Zamračený
Pojďme si ukázat, jak to vypadá, když auto ze stejné rychlosti zabrzdí za několik desetin sekundy.
Z pochopitelných důvodů v tomhle případě za volant nesednu.
I v tomhle případě je počáteční hybnost automobilu zhruba 15000 kilogrammetrů za sekundu.
Ke změně této hybnosti na nulu ovšem dojde za pouhé 0,4 sekundy.
A protože velikost impulsu síly musí zůstat zachována, extrémně se tak zvýší síla, která se o zastavení auta postará.
Její velikost je zhruba 40000 Newtonů.
Taková síla má na auto deformační účinky.
Aby se snížila velikost nárazové síly, snaží se automobilky prodlužovat čas, po který se auto deformuje.
Proto se v konstrukcích současných moderních aut objevuje řada bezpečnostních prvků, deformačních zón a airbagů.
Každé prodloužení nárazu o setiny sekundy výrazně zmenšuje deformační sílu a může zachránit spoustu lidských životů.
Když takhle dvousetgramová sklenička spadne z výšky 1 metru na zem, tak těsně před dopadem bude mít rychlost 5 metrů za sekundu, což odpovídá hybnosti 1 kilogrammetr za sekundu.
Když tahle sklenička dopadne na pevný nepružný povrch, bude doba nárazu tak krátká, že se sklenička zaručeně rozbije.
Když ale prodloužíme dobu nárazu tím, že sklenička bude dopadat na pružný materiál, který se bude deformovat, snížíme tím působící sílu a sklenička může přežít vcelku.
Smějící se
Z hlediska fyziky není podstatné, jak tvrdý nebo měkký je povrch, ale do jako dlouhého času se náraz rozloží.
Ze stejného důvodu mají boxeři na rukou rukavice.
Měkké polstrování rukavic prodlužuje dobu úderu a náraz na tělo protivníka je tak menší.
Plocha airbagu prodloužila dobu mého dopadu a snížila tak náraz.
Stejný efekt má plachta v rukou hasičů, do které skákají lidé při požáru.
Časový účinek síly nemusíme využívat jenom pro zmírňování nejrůznějších pádů a nárazů.
Můžeme ho naopak využít i tam, kde potřebujeme dosáhnout nejvyšší hodnoty hybnosti.
Kdybychom na tuhle kouli působili jenom zlomek sekundy, vypadalo by to takhle...
Kromě toho, že to docela bolí, žádnou velkou hybnost jsme kouli neudělili.
Při normálním vrhu působíme silou na stejně těžkou kouli daleko delší dobu, asi jednu sekundu.
Když porovnáme oba pohyby, vidíme, že kopnutá koule má mnohem menší hybnost, než vržená koule, a to na tu vrženou kouli působila silou křehká dívka!
Na začátku byla moje mince v klidu, takže měla hybnost nulovou, kdežto barmanova mince se pohybovala, takže hybnost měla.
Po nárazu si to mince vyměnily.
To by znamenalo, že tělesa si vzájemnými nárazy hybnost můžou předávat.
Ty dvě mince dohromady tvořily izolovanou soustavu těles, když tedy si odmyslíme tření.
Pro takovou soustavu platí, že má stále stejnou hybnost, to znamená, že součet hybností těch dvou mincí byl pořád stejný.
Když se tedy jedna mince zastavila, musela se druhá mince začít pohybovat.
Pokud byla stejně těžká, tak stejnou rychlostí.
Usmívající se
No a co si mám představit pod pojmem izolovaná soustava těles?
Izolovaná soustava těles je taková soustava, na kterou nepůsobí žádné vnější síly.
S tím se moc nesetkáváme, ale setkáváme se s případem, kdy všechny vnější síly se navzájem ruší.
No a tady například máme vznášedla.
Ta vznášedla se vznáší na vzduchovém polštáři, tíhová síla je vykompenzována tlakem toho vzduchu zdola a součet hybností těchto dvou vznášedel je pořád stejně velký.
Od našich fyziků jsem dostala pozvání, abych s nimi tady nad městem odpálila raketu.
Prý je to typická ukázka zákona zachování hybnosti.
Raketu můžeme považovat za izolovanou soustavu dvou těles.
První těleso je raketa samotná a druhé těleso je palivo.
V tomto případě to bude stlačený vzduch a voda.
Na začátku je celková hybnost soustavy nulová.
Palivo může z rakety unikat pouze otvorem v zadní části rakety, a protože platí zákon zachování
hybnosti, tak když bude palivo utíkat z rakety, tak raketa bude mít stejně velkou hybnost, ale opačným směrem.
Pomocí zákona zachování hybnosti si tedy můžeme vysvětlit pohon rakety, a to jak na Zemi,
tak i ve vzduchoprázdném vesmíru.

Práce, výkon, energie

Nejdřív si práci rozdělme.
Myslím to spíš teoreticky.
Existuje práce manuální, můžeme jí také říkat fyziologická, anebo práce jako fyzikální veličina.
Ta se správně jmenuje mechanická práce.
A čím se tyhle práce od sebe liší?
Manuální práce je jakákoli práce, při které používám sílu svých svalů, kdežto fyzikální mechanická práce je ta práce, při které se předmět působením síly F posune po dráze s.
Z téhle definice vyplývá i vzoreček pro výpočet práce, kterou značíme W od anglického work.
Překvapený
Mechanickou práci za nás může dělat i stroj.
V tomhle případě bagr zvedl kládu o hmotnosti 25 kilogramů do výšky metr a půl.
K překonání tíhy klády byla zapotřebí síla o velikosti 245 Newtonů a bagr vykonal 368 jednotek
mechanické práce.
A jaká je vlastně jednotka mechanické práce?
Správná odpověď je, že mechanickou práci měříme v joulech.
Kdybychom si měli představit, jak velká práce je jeden joul, museli bychom zvednout závaží o hmotnosti 102 gramů ze země do výšky 1 metru.
Kdy vykonám větší mechanickou práci?
Když zvednu tuhle dvacetikilovou činku nad hlavu, anebo když vytáhnu tohle dvoukilové závaží na vrchol věže?
Abych zvedla tuhle dvacetikilovou činku, musela jsem působit silou asi 200 Newtonů po dráze dlouhé 2 metry, takže jsem vykonala práci 200x2, což je 400 joulů.
A teď spočítáme to závaží.
Na vytažení dvoukilového závaží mi stačilo 20 Newtonů, ale věž je vysoká 22 metrů, takže jsem vykonala práci 20 x 22, což je 440 joulů.
Při vytahování tohohle malého závaží jsem vykonala o desetinu větší práci, než při zvedání činky.
Asi mi došel benzín.
No, to vypadá, že budu muset tlačit, ale nevadí.
Využijeme téhle situace a něco si ukážeme.
Protože jsem překonávala odporové síly působící na auto, musela jsem neustále působit silou.
A protože jsem silou přemístila auto po určité dráze, zcela nezpochybnitelně jsem vykonala mechanickou práci.
Co se ale stane, když si pozvu na pomoc kamarádku?
Tlačila jsi naplno? -Ano.
Tak v tom případě mi tady něco nehraje.
Čekala bych, že když budeme obě tlačit naplno, že vykonáme dvojnásobnou práci.
Překonaly jsme ty samý odporový síly, auto jsme posunuly po stejné dráze, takže z fyzikálního hlediska to znamená, že jsme vykonaly stejnou práci, jako já předtím.
No tak to ale vypadá, že ve více lidech se neudělá víc mechanické práce.
Je možné, že z hlediska mechanické práce je úplně jedno, jestli auto tlačí jeden nebo dva lidé?
Za určitých podmínek to možné je. Pokud do mechanické práce nezapočítáš rozjezd auta, ale pouze tu část, kdy auto jelo rovnoměrně přímočaře, potom jste mohly vykonat stejnou práci.
A Kláro, měřily jste taky čas?
Měřily. Sama jsem tlačila za 8 sekund, kdežto dvě jsme tlačily za 6 sekund.
Tak to je jasné.
Práce v obou případech byla stejná, ale výkon byl různý.
S vyplazeným jazykem
Výkon definujeme jako práci za jednotku času. Výkon vypočítáme tak, že mechanickou práci W
vydělíme časem t, za který byla vykonána.
Jednotka výkonu je Watt.
Pro vaši představu je to stejný výkon, jako plynulé zvednutí tohohle 102 gramového jablka do výšky 1 metru a to právě za 1 sekundu.
Asi takhle.
Při lidských činnostech je 1 Watt poměrně malým a snadným výkonem, ale jak to vypadá s maximálními výkony lidského těla?
To si můžeme ověřit na speciálním rotopedu, který mimo jiné měří okamžitý výkon při šlapání.
Dlouhodobě je člověk schopen vyvinout výkon 100 Wattů.
A teď to zkusím trochu našlápnout.
Mně se podařilo dosáhnout výkonu 170 Wattů, ale řeknu vám, moc dlouho se to vydržet nedá.
Ale bylo by dobré zmínit ještě jednu hodnotu.
Je to 736 Wattů, to je jedna koňská síla.
Ale k tomu, abych dosáhla takového výkonu by byly potřeba aspoň 4 Kláry.
Nerozhodný
Na začátku dnešního pořadu jsme si řekli, kdy člověk nebo stroj vykonává práci, ale napadlo by vás,
kde se v člověku nebo v bagru bere schopnost pracovat?
Je to jednoduché - do bagru musíte nalít naftu a živé bytosti se musí před vykonáním práce najíst a napít.
Fyzikálně bychom to řekli asi tak, že aby tělesa mohly při vzájemném působení sil vykonávat práci, musí získávat energii, jako třeba tihle tučňáci.
To bude energie!
Názorným příkladem mechanické energie je tíhová potenciální energie.
Česky jí říkáme polohová, ona totiž souvisí s polohou daného tělesa v tíhovém poli Země.
Když zavěsím tenhle medicinbal do určité výšky nad zem, dodám mu tím tíhovou potenciální energii.
Tuhle energii snadno spočítáme podle vzorce: přičemž m je hmotnost tělesa, h je výška zavěšení
a g je gravitační konstanta.
Rozpačitý
Polohovou energii, stejně jako práci, měříme v joulech.
Tyhle dvě fyzikální veličiny totiž spolu dost úzce souvisí.
Když zvedám medicinbal, vykonávám práci, protože působím silou po určité dráze a zároveň míči dodávám polohovou energii.
Práce je vlastně způsob, jak nějakému tělesu předat energii, ale platí to i naopak.
Všude, kde je nějaký přírůstek nebo úbytek mechanické energie, tam se vždycky koná i nějaká práce.
Polohová energie se někdy může přeměňovat na jiný druh mechanické energie, na energii kinetickou, česky jí říkáme pohybová.
Před jízdou má Anička jenom mechanickou polohovou energii.
Ta je dána tím, že je umístěna metr nad zemí.
Jakmile se Anička přestala držet nohama na startu, lanovka se rozjela.
V tu chvíli začíná docházet k přeměnám mechanické energie.
Polohová energie se zmenšuje na úkor pohybové.
Anička tak získává stále větší rychlost, ale ztrácí výšku nad zemí.
Na tomhle případu jsme si ukázali, že jednotlivé druhy mechanické energie se mezi sebou můžou vzájemně přeměňovat.
Platí tady ale jedna moc důležitá věc.
Šlápnul vedle
Celková energie tělesa nebo soustavy těles, které si energii vzájemně předávají, se nemění a zůstává pořád stejná.
Říkáme tomu zákon zachování energie.
Přeměny mechanické energie na další různé formy můžeme vidět třeba ve vodních elektrárnách.
Voda padá šachtou uvnitř hráze, její polohová energie se zmenšuje, zato její pohybová energie roste.
Dopadem na turbínu se mechanická pohybová energie vody mění na rotační energii turbíny a v generátoru, který je součástí turbíny, se pak energie změní ještě jednou, na finální elektrickou, jenže z běžné zkušenosti víme, že při každé přeměně se určitá část energie jakoby ztrácí.
Ale jak to, když by měl platit zákon zachování energie?
Zamračený
Ta energie se neztrácí, ona se jenom přeměňuje i na takové formy, které unikly tvé pozornosti.
Vezmi si třeba energii Slunce.
Slunce dodává Zemi ohromné množství energie, ta energie se tady přeměňuje například na energii mořských proudů, větrů, ohřívají se oceány, svým způsobem se vlastně ukládá i třeba ve formě uhlí nebo ropy, což je pozůstatek dávných rostlin, které potřebovaly sluneční energii pro to, aby mohly růst.
A když říkáš, že energie se nikam neztrácí, v tom případě by mělo fungovat perpetuum mobile.
Asi takto nějak uvažovali konstruktéři tohoto hypotetického stroje.
Ti přemýšleli o tom, že veškerá energie, kterou dodáme stroji, by se mohla použít zpátky pro jeho pohon, tedy že veškerá dodaná energie se mění na užitečnou práci.
Ale i ten nejlépe, nejprecizněji zkonstruovaný stroj mění část dodané energie na nějakou neužitečnou práci.
Vždycky je tam tření, vždycky ten stroj interreaguje se svým okolím, takže vždycky musíme energii
dodávat, aby ten stroj pracoval.
 

Buď první, kdo ohodnotí tento článek.

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama