27. Voda, vzduch a energia

Gravitačné kladivo

Predpokladajme, že chceš zdvihnúť ťažký kameň. Snažíš sa použiť svoje vlastnú silu, ale jednoducho to nejde. Určite vynakladáš veľa energie, ale len ťažko by si povedal, že si vykonal nejakú prácu alebo vôbec niečo vykonal. Jasné, že nie, pretože si skalou nepomohol ani o milimeter. Vo fyzike hovoríme o práci (W) len vtedy, ak sila (F) pôsobí v určitej vzdialenosti (s). Takto to môžete zapísať: W (práca) = F (sila) . s (vzdialenosť)

Merná jednotka sily je newton (N), jednotka pre vzdialenosť je meter (m). Produkt týchto dvoch nazývame newton meter (Nm) a je označovaný v jouloch (J). Merná jednotka je teda 1 joule = 1 N x 1 m. Ak by si mal zdvihnúť kameň o hmotnosti 5 kg a presunúť ho o 1 m, potom musíš vykonať prácu o veľkosti 50 J (pretože gravitácia produkuje hmotnosť 9,81 N zaokrúhlených na 10 N pre hmotu o hmotnosti 1 kg).

Sú aj také dni, keď sa cítiš otupený, unavený a neschopný vykonať akúkoľvek prácu. Sťažuješ sa: „Dnes nemám žiadnu energiu.“ Fyzik by povedal: „Energia je schopnosť vykonávať prácu.“ Poďme to preskúmať pomocou gravitačného kladiva.

Naplň balónik vodou v objeme zhruba pol šálky a uviaž ho na koniec šnúry. Druhý koniec uviaž, tak ako vidíš na obrázku, ku kľukovému hriadeľu a priveď bavlnenú šnúru cez kolesá kladky. Začni s balónom v spodnej časti. Trochu nadvihni kladivo zo strany od balónika a otoč vonkajšou kľukou ozubeného kolesa tak, aby sa bavlnená šnúra otočila okolo osi z vonkajšej strany. Keď je balónik úplne hore, kladivo zase uvoľni. Pomaly spusti balónik, až kým sa kľuka ozubeného kolesa nedotkne kladiva. Balónik s vodou bude visieť pod kolesom kladky.
Teraz prevodové koleso trochu postrčt – balón sa postupne spustí dole, zatiaľ čo kladivo búši po základnej doske. Keby si bavlnenú šnúru predĺžil a kladivový aparát umiestnil na okraj stola, mohlo by to trvať ešte dlhšie.

Sila tvojej ruky vykonáva kľukou kruhový pohyb a tým vykonáva prácu. Táto práca je vedená skrze os, bavlnenú šnúru, kolesá kladky až k balónu s vodou, ktorý sa pohybuje proti sile gravitácie. Pokým balón s vodou tam hore voľne visí, zachováva energiu, ktorá bola do nej „načerpaná“. Energia je potom využitá a prevedená späť na prácu : hmotnosť vody v balóne prinúti kladivo pracovať, zatiaľ čo sa balón vracia k zemi.
Energia vo voľne visiacom balóne sa nazýva potenciálna energia. Ako sa balón pohybuje smerom dole, obsahuje inú formu energie. Táto pohybová energia sa nazýva kinetická energia. Keďže energia je viac-menej schopnosťou vykonávať prácu, má rovnakú mernú jednotku ako práca (J). Ak by sa voda vypustila z balónika cez rúrku na zem, mohla by roztočiť malé vodné koleso a takýmto spôsobom vykonávať prácu.

Potenciálna energia vody sa v skutočnosti využíva vo vodných elektrárňach: voda tečie z vysokej nádrže cez potrubie (alebo privádzač) nadol, nazhromaždí kinetickú energiu a je privedená k vrtuliam turbíny. Tá je pripojená prostredníctvom hriadeľa na generátor, ktorý produkuje elektrickú energiu a dodáva ju do elektrickej siete. Riečne vodné elektrárne na druhej strane priamo odčerpávajú kinetickú energiu rieky.

Potenciálna energia existuje v mnohých formách: ako navíjaná pružina v mechanickom motore, ako stlačený vzduch (napr. na čerpacej stanici), ako rotačná energia zotrvačníka, ako chemická energia vo vykurovacom oleji alebo benzíne, ako elektrochemická energia v batérii.

Nie všetka potenciálna energia vody sa premení na údery nášho gravitačného kladiva. Časť z nej je spotrebovaná pri trení v miestach osi, kolesách kladky a hriadeľa kladiva. Ak sčítaš prácu stratenú trením a prácu kladiva, výsledná práca sa bude rovnať práci, s ktorou si začal. Inými slovami, platí zákon zachovania energie: V uzavretom mechanickom systéme sa nestráca žiadna energia. Energia nemôže byť vytvorená, ale ani zničená. Môže byť len premenená. Množstvo mechanickej energie zostáva vždy rovnaké (konštantné).

Výkon je práca vydelená časom

Výkon je fyzikálna veličina, ktorá udáva množstvo vykonanej práce za určitý čas. Používa sa hlavne pri porovnávaní viacerých strojov alebo spôsobov. Označujeme ho P a základnou jednotkou výkonu je 1 watt. Ďalšími jednotkami (zastaranými) sú napríklad 1 k (kôň; 1k = 735,5 W) a potom odvodené jednotky ako napríklad kW - kilowatt.
Výkon stredne veľkého auta je okolo 60 kW. Človek dokáže dlhšiu dobu vykonať fyzickú prácu asi 200 wattov, kým cyklista so svojim bicyklom vykoná pomerne rýchlo prácu až 1 500 W.