La paraula energia prové de la paraula grega "enérgeia" que significa capacitat per a produir canvis.
Per tant, l'energia és una magnitud física que associem amb la capacitat de produir canvis en els cossos.
Què és un canvi?
Es considera que es produeix un canvi en un cos quan:
Hi ha un moviment o canvi de posició.
Hi ha un augment o disminució de la temperatura.
Hi ha una deformació o canvi de forma.
Hi ha un canvi de volum.
Així doncs, l'energia és una propietat dels cossos que pot ser mesurada i produeix un canvi (moviment, forma, volum o temperatura) en els cossos.
La unitat internacional de mesura de l'energia és el Joule (J).
Però també és habitual trobar altres unitats que mesuren l'energia. El Joule és una unitat massa petita per a mesurar l'energia que usem contínuament. La caloria (cal) s'usa sobretot per a mesurar l'energia que contenen els aliments; 1 cal = 4,18 J. Una altra unitat utilitzada per mesurar l'energia és el kilowatthora (kwh), que s'utilitza per càlculs d'energia elèctrica; 1 kwh = 3600000 J.
Tal com hem vist al tema anterior, en una màquina simple, el treball motor és igual al treball resistent, per tant, podem afirmar que una màquina actua com un sistema que transforma el treball motor en treball resistent.
Podem considerar el treball que hem fet sobre una màquina com "quelcom" que la màquina retorna per mitjà de la seva acció sobre l'objecte que fa moure. Això que la màquina pren de nosaltres i retorna sobre l'objecte és l'energia.
Així doncs, una màquina és un sistema que funciona conservant l'energia que li donem, de manera que la retorna quan ella exerceix el treball sobre l'objecte.
Llavors, la llei de qualsevol màquina es pot enunciar així:
Durant el seu funcionament, una màquina no crea ni destrueix energia, la conserva.
L'enunciat anterior és el Principi de conservació de l'energia aplicat a les màquines.
En general podem dir que l'energia no es crea ni es destrueix, simplement va passant d'unes formes a altres.
Un cop coneguem, a l'apartat 5.2, els conceptes d'energia cinètica, energia potencial gravitatòria i energia mecànica, veurem alguns exemples pràctics que compleixen el Principi de conservació de l'energia mecànica.
Malgrat tot, hem de tenir en compte que en els processos de transformacions d'un tipus d'energia a un altre,
sempre hi ha una part de l'energia que es perd en forma de calor i que no
és possible reutilitzar.
5.2.- TIPUS D'ENERGIA. 5.2.1.- ENERGIA CINÈTICA, ENERGIA POTENCIAL I ENERGIA MECÀNICA.
Fixem-nos ara en l'acció d'una màquina sobre un objecte. Per l'acció d'una palanca, per exemple, podrem aconseguir que un deteminat objecte es mogui amb una certa velocitat, o bé que pugi a una certa altura.
Veiem dos exemples:
En tots dos casos, la màquina (palanca o tenalles) haurà fet un treball sobre l'objecte i li haurà comunicat energia.
Veiem ara alguns tipus d'energia:
1.- ENERGIA CINÈTICA(Ec): Correspon a l'energia que té un objecte quan es mou a una certa velocitat (v). El seu valor es calcula amb l'expressió següent:
on m és la massa de l'objecte (mesurada en kg) i v (mesurada en m/s) ja hem comentat que correspon a la seva velocitat.
Pots veure el video següent:
A continuació es mostren alguns exemples de problemes amb Ec: Problema 1: Calcula l'energia cinètica (Ec) d'un cos de 2 kg que es mou a una velocitat de 80 km/h.
Problema 2: Calcula la velocitat d'un cos de 3 kg que presenta una Ec de 150 J.
Problema 3: Calcula la massa d'un cos que circula amb una velocitat de 5 m/s i amb una Ec de 200 J.
2.- ENERGIA POTENCIAL(Ep): Correspon a l'energia que té un objecte quan adquireix una altura (h) sobre el nivell del terra. El seu valor es calcula amb l'expressió següent:
on m és la massa de l'objecte (mesurada en kg), h (mesurada en m) ja hem comentat que correspon a l'altura i g correspon al valor de l'acceleració de la gravetat a la superfície terrestre ( g= 9'8 m/s2).
Pots veure el video següent:
A continuació es mostren alguns exemples de problemes amb Ep:
Problema 4: Calcula l'Ep d'un cos de 2 kg, situat a 4 metres d'altura.
Problema 5: Calcula la altura a la que es troba un cos de 3 kg, si presenta una Ep de 250 J, en aquest punt.
Problema 6: Calcula la massa d'un cos que es troba a 5 metres d'altura sobre el terra si presenta una Ep de 200 J en aquest punt.
3.- ENERGIA MECÀNICA(Em): Un objecte es pot moure i alhora, estar situat a una certa altura. Llavors té energia cinètica i energia potencial. La suma de totes dues s'anomena energia mecànica.
Energia mecànica = Energia cinètica + Energia potencial
A continuació es mostren alguns exemples de problemes amb Em:
Problema 7: Calcula l'Em d'un cos d'1 kg que a una altura de 10 m, presenta una velocitat de 8 m/s.
Problema 8: Calcula l'altura a la que es trobarà un cos, si en aquest punt presenta una Em de 350 J, amb una velocitat de 7 m/s.
Problema 9: Calcula la velocitat a la que es desplaça un cos si la seva Em és de 500 J, quan es troba a una altura de 8 metres sobre el nivell del terra.
Per acabar aquest apartat, aplicarem el Principi de conservació de l'energia mecànica a un exemple pràctic:
EXEMPLE:
Si llancem un objecte cap a dalt, observem que la velocitat disminueix a mesura que ascendeix. En el punt més alt es para un instant, per iniciar el descens. A mesura que va baixant, va més ràpid. Al llarg del recorregut, l'objecte va canviant la seva energia (perquè la velocitat i l'altura van canviant i així la seva energia cinètica i la seva energia potencial també canvien, com veurem posteriorment). Aquesta variació de l'energia es produeix sota les següents consideracions:
En el moment inicial i considerant que l'altura és zero (l'objecte està en terra), l'objecte té energia potencial (Ep) zero. L'energia cinètica (Ec) dependrà de la velocitat a la que llancem l'objecte cap a dalt.
A mesura que l'objecte ascendeix, la seva energia cinètica (Ec) va disminuint (disminueix la velocitat) i l'energia potencial (Ep) va augmentant (cada vegada està més alt).
En el punt més alt, l'energia cinètica (Ec) és zero (l'objecte està parat) i l'energia potencial (Ep) és màxima (l'objecte es troba al punt més alt).
En la baixada, l'objecte va perdent energia potencial (Ep) i va guanyant energia cinètica (Ec) perquè cada vegada va més ràpid.
Quan l'objecte arriba a la posició inicial, l'energia potencial (Ep) tornarà a ser zero i l'energia cinètica (Ec) serà la mateixa que quan el vam llençar.
L'energia mecànica del cos (que recordem que es la suma de l'energia cinética més la potencial) es manté constant si no hi ha cap força que actuï sobre l'objecte.
Així, al gràfic anterior, veiem que l'energia cinètica (en violeta) i l'energia potencial (en vermell) sumen el mateix en qualsevol punt de la trajectòria d'aquest objecte llençat a l'aire.
Hem
de tenir en compte que aquest exemple és en condicions ideals i
rarament no es dóna a la natura, perquè sempre hi ha alguna força
actuant sobre aquest objecte (per exemple el fregament de l'aire).
Un altre exemple d'aquests canvis energètics, el veiem a la situació següent:
En el primerdibuix, elsacde massa mnotéenergiapotencialnicinètica.En el segondibuix, elsacha adquirituna energiapotencialgràciesa la feinade l'operari. En el tercerdibuix, elsacs'ha deixat anariva perdentenergiapotencial(al perdre alçada) peròva guanyantenergiacinèticaen guanyarvelocitat.
5.2.2.- ALTRES TIPUS D'ENERGIA.
Per últim hem de saber que existeixen un gran nombre de tipus d'energia a banda dels que hem presentat en aquest apartat. Alguns tipus són:
Quan ingerim aliments, aquests aliments ens proporcionen energia i parlem d'energia química, que correspon a l'energia que tenen els compostos químics que formen aquests aliments.
Els motors elèctrics s'alimenten d'energia elèctrica, que correspon a l'energia que tenen les partícules carregades d'electricitat quan es mouen en una determinada direcció, produint un corrent elèctric.
La calor que es produeix, per exemple, quan hi ha fricció entre dos objectes, s'anomena energia tèrmica o calorífica.
Al quadre següent et mostrem els diferents tipus:
Ja veus que al llarg dels teus estudis científics i tecnològics, trobaràs molts tipus d'energia. En les màquines simples, però, només ens interessa l'energia mecànica que ja t'hem explicat amb detall.
Segur que has sentit a parlar del terme potència en relació amb el motor d'un vehicle o alguna altra màquina. Aquest relaciona el treball físic amb el temps utilitzat per dur-lo a terme.
Per tant, podem dir que la potència és la magnitud que mesura el ritme al qual les màquines treballen.
S'anomena potència el treball efectuat per unitat de temps. Tal com hem dit, dóna idea de la rapidesa amb què es pot realitzar un treball.
Matemàticament la potència es calcula amb l'expressió següent:
Les unitats de la potència al Sistema Internacional són els watts (W=J/s), donat que el treball (W) es mesura en J (joules) i el temps en s (segons).
Altres unitats de potència són el kW (1 kW= 1000 W) i el HP (horsepower) o CV (cavalls de vapor) (1 CV=1 HP=735,5 W).
El treball mecànic(W; de l'anglès; work), és el canvi d'energia que experimenta un cos quan una força externa li provoca un desplaçament. Es calcula com:
on F és la força (mesurada en N:newton) i d és el desplaçament (mesurat en m:metre). Ja hem dit que, com a qualsevol variable d'energia, el Treball es mesura en J (joules).
A continuació pots descarregar-te el full d'exercicis corresponent a aquest tema. Per fer-ho fes click aquí.
També pots descarregar-te aquest altre full d'exercicis complementaris. Veuràs que, en aquest cas, tindràs els resultats dels exercicis per tal que puguis fer autocorrecció. Per obtenir-lo, fes click aquí.
