Έργο σταθερής δύναμης

Η έννοια της ενέργειας είχε ‑και εξακολουθεί να έχει- κομβική σημασία για τη φυσική. Σε αυτό το άρθρο γίνεται μια στοιχειώδης εισαγωγή στην έννοια αυτή και στην έννοια του έργου σταθερής δύναμης η οποία απευθύνεται σε μαθητές Β’ και Γ’ Γυμνασίου.

ΨΗΦΙΑΚΟ ΒΙΒΛΙΟ

---

5.1 Έργο και ενέργεια

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΘΕΩΡΙΑΣ

---

Είναι αλήθεια πως η έννοια «ενέργεια» έχει μπει στη ζωή μας για τα καλά. Δεν μπο­ρούμε να κάνουμε ούτε βήμα πια χωρίς να έχουμε φορτίσει το κινητό μας. Δεν φαντα­ζόμαστε στιγμή πώς θα μπορούσαμε να ζήσουμε χωρίς το ψυγείο ή την κουζίνα που χρειάζονται ηλεκτρική ενέργεια για να λειτουργήσουν. Σίγουρα έχεις ακούσει πως ένα φορτηγό που κινείται με μεγάλη ταχύτητα στην εθνική οδό έχει πολύ μεγάλη κινητική ενέργεια και ίσως έχεις διαβάσει πόσο επιβαρυντική είναι για το περιβάλλον η παραγω­γή ηλεκτρικής ενέργειας από ορυκτά καύσιμα, πόσο επικίνδυνη μπορεί να γίνει η πυρη­νική ενέργεια που «κρύβεται» στους πυρήνες των ατόμων ή πόσο σημαντική είναι για την επιβίωσή μας αλλά και για τον πλανήτη γενικότερα η ηλιακή ενέργεια. Ίσως μάλι­στα να έχεις ακούσει και για τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και για το πόσο ωφέλιμη θα ήταν η ανάπτυξή τους ώστε να καλύπτουν ένα μεγάλο μέρος για τις ενεργειακές μας ανάγκες.

Ο οργανισμός μας, όπως και κάθε ζωντανό πλάσμα που υπάρχει στη γη, χρειάζεται ενέργεια για τη λειτουργία του. Αυτήν εμείς, αλλά και κάθε άλλο ζώο, την εξασφαλίζου­με καθημερινά μέσω της τροφής. Τα φυτά, από την άλλη μεριά, την «κλέβουν» από τον ήλιο, ένα μέρος το κρατούν για τον εαυτό τους και το υπόλοιπο μας το χαρίζουν γεν­ναιόδωρα. Όλοι μας λίγο ή πολύ είμαστε εξοικειωμένοι με την έννοια της ενέργειας, κα­ταλαβαίνουμε τι είναι και ποια είναι η σημασία της για τη ζωή μας αλλά αν μας ζητήσει κάποιος να δώσουμε έναν ορισμό για το τι είναι η ενέργεια, δυσκολευόμαστε αρκετά.

Παρόλο που η ενέργεια ‑ως όρος- εμφανίστηκε στα γραπτά του Αριστοτέλη τον 4^ο π.Χ. αιώνα, είναι αρκετά περίπλοκο να δώσει κάποιος έναν ορισμό για αυτήν. Ίσως τε­λικά κάτι τέτοιο να μην είναι απαραίτητο αφού εκείνο που μας ενδιαφέρει είναι το πώς σχετίζεται με τα φυσικά φαινόμενα και όχι το τι είναι ακριβώς. Έτσι λέμε πως έχουν ενέργεια…

Είναι όμως αρκετή μια τέτοια ποιοτική περιγραφή; Σίγουρα όχι. Θα έχεις διαπι­στώσει ως τώρα πως στη φυσική έχουμε μια μανία να «μετράμε». Τα φυσικά μεγέθη που χρησιμοποιούμε είναι πάντα μετρήσιμες ποσότητες που μπορούμε να προσδιορίσου­με με τη βοήθεια οργάνων και με τη χρήση συγκεκριμένων μονάδων μέτρησης. Από αυ­τόν τον κανόνα δε θα μπορούσε βέβαια να αποτελεί εξαίρεση η ενέργεια.

Τι είναι λοιπόν η ενέργεια;

Όπως αναφέρεται στο σχολικό βιβλiο η πρώτη αντίληψη για την έννοια του έργου φαίνεται ότι προέρχεται από τους αρχαίους Έλληνες. Δημιουργήθηκε ως αποτέλεσμα της προσπάθειάς τους να ερμηνεύσουν πώς είναι δυνατόν να ανυψωθεί ένα βαρύ αντικείμενο ασκώντας μικρή δύναμη με τη βοήθεια ενός μοχλού . Στις αρχές του 17ου αιώνα ο Γαλιλαίος συνέλαβε τον ουσιαστικό χαρακτήρα της έννοιας. Παρατηρώντας τον τρόπο που τοποθετούσαν πασσάλους στο έδαφος, διαπίστωσε ότι το αποτέλεσμα ήταν συνδυασμός του βάρους του σφυριού που χρησιμοποιούσαν και του ύψους από το οποίο έπεφτε. Η δύναμη (βάρος) και η μετατόπιση (ύψος) φαίνεται να συνδέονται με κάποιο τρόπο.

ΕΡΓΟ

---

Σε αυτό το σημείο ίσως αναρωτηθείς τι συμβαίνει όταν η δύναμη σχηματίζει γωνία με το οριζόντιο επίπεδο. Παράγεται έργο σε αυτήν την περίπτωση; Φυσικά, όμως αυτή είναι μια ιστορία που θα σε περιμένει υπομονετικά στην Α’ Λυκείου!

ΕΦΑΡΜΟΓΗ

---

Ένα μικρό κιβώτιο ηρεμεί σε οριζόντιο δάπεδο. Κάποια στιγμή ένα παιδί αρχίζει να σπρώχνει το κιβώτιο ασκώντας σταθερή οριζόντια δύναμη F=30N. Αν η δύναμη της τριβής μεταξύ κιβωτίου και επιπέδου είναι Τ=10Ν, και το σώμα μετατοπίζεται κατά Δx=2m να βρεις:
α) Το έργο της δύναμης F,
β) Το έργο της τριβής Τ,
γ) τα έργα του βάρους και της κάθετης αντίδρασης.

ΛΥΣΗ

α) Το έργο της δύναμης F θα είναι :

$$ W_F=30 \cdot 2 \text { } S.I. $$

$$ W_F=60 Joules $$

β) Ενώ το έργο της τριβής Τ:

$$ W_T= \text { } ‑10 \cdot 2 \text { } S.I. $$

$$ W_T=\text { } ‑20 Joules $$

γ) Η δύναμη του βάρους και η κάθετη δύναμη στήριξης είναι κάθετες στη μετακίνηση του κιβωτίου. Έτσι το έργο τους είναι μηδέν.

ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ ΘΕΩΡIΑΣ

---

Το ακόλουθο αρχείο αποτελεί τροποποιημένη έκδοση αντίστοιχου αρχείου που ανακτήθηκε από το sci­ence tube.

ΒΙΝΤΕΟ

---