Energie, práce, výkon
Těleso o hmotnosti 3 kilogramy bylo uvolněno z klidu a padá volným pádem v homogenním tíhovém poli Země. Jak velkou práci vykoná Země prostřednictvím gravitační síly během prvních 5 sekund volného pádu? Jak velkou práci vykoná během následujících 5 sekund volného pádu?
Nejprve si ujasníme model úlohy. V čase \(t=0\) bylo těleso uvolněno z klidu. Odpor vzduchu zanedbáváme, tíhové zrychlení \(g\) považujeme za stálé a předpokládáme, že těleso během deseti sekund nenarazí na zem.
Gravitační síla i posunutí tělesa míří svisle dolů. Úhel mezi nimi je tedy \(0^\circ\), a Země proto koná kladnou práci:
Nejprve určíme velikost gravitační síly. V homogenním tíhovém poli je po celou dobu pádu stejná:
1. Prvních pět sekund: interval \(0\text{–}5\,\mathrm{s}\)
Těleso padá z klidu se stálým zrychlením \(g\). Dráhu uraženou za prvních pět sekund vypočítáme:
Nyní tuto dráhu dosadíme do vztahu pro práci gravitační síly:
2. Následujících pět sekund: interval \(5\text{–}10\,\mathrm{s}\)
Pohyb se po pěti sekundách nespustí znovu od začátku. Těleso už má nenulovou rychlost a dále zrychluje. Potřebujeme proto dráhu uraženou mezi časy \(5\,\mathrm{s}\) a \(10\,\mathrm{s}\).
Nejprve vypočítáme celkovou dráhu od začátku pádu do času \(10\,\mathrm{s}\):
Od této dráhy odečteme prvních \(122{,}625\,\mathrm{m}\):
Práce Země během následujících pěti sekund je tedy:
V našem modelu působí na těleso pouze gravitační síla, takže její práce je zároveň prací výsledné síly. Výsledek proto můžeme zkontrolovat větou o práci a kinetické energii: práce výsledné síly se rovná přírůstku kinetické energie. Protože při volném pádu platí \(v=gt\), dostaneme stejné výsledky ze vztahů:
Číselná kontrola tedy dává stejné výsledky jako výpočet z dráhy. Souhlasí i jednotka: \(\mathrm{kg\,m^2\,s^{-2}}=\mathrm{J}\).
Zadání hodnotu \(g\) neurčuje. Při školním zaokrouhlení \(g\approx10\,\mathrm{m\,s^{-2}}\) vyjde \(W_{0\text{–}5}=3{,}75\,\mathrm{kJ}\) a \(W_{5\text{–}10}=11{,}25\,\mathrm{kJ}\). V hlavním výpočtu jsme použili běžnou přibližnou hodnotu \(g\approx9{,}81\,\mathrm{m\,s^{-2}}\).
Během prvních pěti sekund vykoná Země práci přibližně \(3{,}61\,\mathrm{kJ}\). Během následujících pěti sekund vykoná práci přibližně \(10{,}8\,\mathrm{kJ}\).
Kulička o hmotnosti \(m\) visí v klidu na svislém provázku délky \(l\). Jak velkou práci musíme vynaložit, aby se poté rovnoměrně otáčela ve výšce jedné poloviny délky provázku (aby vystoupala o polovinu délky provázku)? Odpor vzduchu a další ztráty zanedbejte.
Práce naší roztáčecí síly se rovná přírůstku mechanické energie kuličky. Tah provázku práci nekoná, protože je v každém okamžiku kolmý k rychlosti kuličky; odpor vzduchu a další ztráty jsme zanedbali. Roztáčením získá kulička kinetickou energii a výstupem o \(l/2\) se zvýší její polohová energie.
Nejprve zapíšeme práci jako součet kinetické energie kuličky a přírůstku její polohové energie:
V tomto vztahu ještě neznáme rychlost \(v\). Vyjádříme ji proto pomocí dostředivé síly \(F_d\) a poloměru kružnice \(r\):
Na kuličku působí tahová síla provázku \(\vec F_{\text{tah}}\) a gravitační síla \(\vec F_g\). Jejich vektorový součet je vodorovná výslednice \(\vec F_d\), která má dostředivý směr; nejde tedy o další samostatnou sílu. Úhel \(\varphi\) svírá provázek se svislým směrem.
Z pravoúhlého trojúhelníku sil v obrázku platí:
Teď potřebujeme vztahy z geometrie. Kulička vystoupala o \(l/2\), takže svislá odvěsna trojúhelníku má také délku \(l/2\). Vodorovná odvěsna je poloměr kružnice \(r\). Proto:
Poloměr \(r\) určíme Pythagorovou větou. Přeponou je provázek délky \(l\):
Dosadíme vztah pro \(F_d\) a geometrické vyjádření \(\tan\varphi\) do rovnice pro rychlost:
Nyní se vrátíme k práci a za \(r^2\) dosadíme \(3l^2/4\):
Musíme vynaložit práci \(\displaystyle W=\frac{5}{4}mgl\).
Gumový míček „hopík“ jsme hodili na zem z výšky \(90\,\mathrm{cm}\). Z ruky nám vyletěl rychlostí \(8\,\mathrm{m\,s^{-1}}\). Do jaké výšky se odrazil od země, pokud srážka míčku se zemí byla dokonale pružná? Do výpočtů dosazujte hodnotu tíhového zrychlení \(10\,\mathrm{m\,s^{-2}}\).
Označme počáteční výšku \(h_1=0{,}90\,\mathrm{m}\), počáteční rychlost \(v_0=8\,\mathrm{m\,s^{-1}}\) a hledanou největší výšku po odrazu \(h_2\). Výšky měříme od podlahy a odpor vzduchu zanedbáme.
Dokonale pružná srážka v zadání znamená, že se při odrazu neztratí mechanická energie míčku. Můžeme tedy porovnat energii míčku v okamžiku, kdy opouští ruku, s energií v nejvyšším bodě po odrazu.
I. Okamžik, kdy míček opouští ruku
Míček má kinetickou energii danou rychlostí \(v_0\) a polohovou energii danou výškou \(h_1\):
II. Okamžik, kdy je míček po odrazu nejvýše
V nejvyšším bodě se míček na okamžik zastaví, proto je jeho rychlost i kinetická energie nulová. Zůstává pouze polohová energie:
Zákon zachování mechanické energie říká, že energie v obou okamžicích je stejná:
Z rovnice vyjádříme hledanou výšku \(h_2\). Nejprve vydělíme výrazem \(mg\) a zlomky převedeme na společný jmenovatel:
Dosadíme číselné hodnoty v základních jednotkách:
Míček se odrazí do maximální výšky \(4{,}1\,\mathrm{m}\) nad zemí.
ObtížnějšíHmotný bod se z klidu začne bez tření pohybovat z vrcholu koule o poloměru \(R\). V jaké hloubce pod vrcholem opustí povrch koule?
Zajímá nás svislá hloubka \(h\) pod vrcholem koule, ve které hmotný bod přestane být v kontaktu s povrchem.
Na vrcholu je bod v klidu. Při poklesu o hloubku \(h\) se úbytek polohové energie změní na energii kinetickou:
Rychlost \(v\) zatím neznáme. Určíme ji z podmínky odtržení. V radiálním směru působí proti sobě radiální složka gravitační síly \(F_{g,r}\) a normálová síla \(N\). V okamžiku, kdy bod opouští povrch, klesne \(N\) na nulu, takže celou dostředivou výslednici tvoří pouze \(F_{g,r}\):
Tento vztah dosadíme do vyjádření pro hloubku \(h\):
Z geometrie většího pravoúhlého trojúhelníku v obrázku platí:
Dosadíme geometrický vztah do rovnice pro \(h\) a postupně ji upravíme:
Hmotný bod opustí povrch koule v hloubce \(\displaystyle h=\frac{R}{3}\) pod jejím vrcholem.