Portofoliu la Fizică

Bălășoiu Ovidiu1/17/2014

Cuprins

1. Lucrul mecanic……………………………………………………………………..22. Forța de frecare. Legile frecării la alunecare…………………………33. Forța de tensiune………………………………………………………………….5

Tensiunea în cazul unui scripete fix…………………………………………………….5Tensiunea în cazul scripeților mobili…………………………………………………..6

4. Echilibrul mecanic…………………………………………………………………65. Mișcarea circulară…………………………………………………………………8

Elementele mișcării…………………………………………………………………………….86. Momentul…………………………………………………………………………….9

Momentul forței……………………………………………………………………………….11Teorema lui Varignon……………………………………………………………………….12Momentul cinetic……………………………………………………………………………..12Teorema variației momentului cinetic………………………………………………12Legea conservării momentului cinetic……………………………………………….12

7. Mișcarea rectilinie uniformă……………………………………………….138. Forța…………………………………………………………………………………..15

Legile lui Newton………………………………………………………………………………15Prima lege a lui Newton – Principiul I al mecanicii…………………………….16A doua lege a lui Newton – Principiul al II-lea al mecanicii………………..16A treia lege a lui Newton – Principiul al III-lea al mecanicii………………..16Principiul suprapunerii forțelor…………………………………………………………16Forțe care acționează asupra unui vehicul………………………………………..16Calculul accelerației gravitaționale……………………………………………………16Frecarea.…………………………………………………………………………………………..16Forța elastică…………………………………………………………………………………….16

9. Puterea……………………………………………………………………………….17 10. Energia…………………………………………………………………………………17

Energia cinetică…………………………………………………………………………………17Energia potențială…………………………………………………………………………….18Energia potențială gravitațională………………………………………………………19Energia potențială elastică………………………………………………………………..19Conservarea energiei mecanice………………………………………………………..21Randamentul mecanic………………………………………………………………………21Mecanismul………………………………………………………………………………………21Randamentul planului înclinat………………………………………………………….22

11. Bibliografie…………………………………………………………………………..24

1. Lucrul mecanic

Imaginați-vă o cutie neagră, conținând un motor pe benzină, care este conceput să se strângă un cablu de oțel de lungime d, exercitând o anumită forță F. Dacă folosim această cutie pentru a ridica o greutate, în momentul în care va fi rulat tot cablu, greutatea va fi ridicată la o înălțime d. Forța F abia este, la limită, suficient de puternică pentru a ridica o greutate m dacă F=mg; dacă face aceasta, atunci forța de ridicare a cablului anulează exact forța gravitației, deci greutatea se va ridica la viteză constantă, fără să-și schimbe energia cinetică.

w. Cutia neagră execută lucru mecanic prin rularea cablului

Doar energia gravitațională este transferată greutății ridicate, iar valoarea energiei gravitaționale este mgd, care este egală cu Fd. Din perspectiva conservării energiei, aceasta trebuie să fie, de asemenea, măsura energiei pierdute din energia chimică a benzinei, în interiorul cutiei.

Dar dacă am folosi cutia neagră pentru a trage un plug? Creșterea energiei exterioare este de un tip diferit de cel precedent: în special căldura creată de frecarea dintre sol și plug. Cutia comunică cu exteriorul doar prin intermediul orificiului, prin care iese cablul. Măsura energiei chimice pierdute de către benzină poate prin urmare să depindă numai de F și d, deci din nou cantitatea de energie transferată trebuie să fie egală cu Fd.

Același raționament poate fi aplicat și în alte situații, fără a conta pentru ce este folosit cablul. Trebuie să existe întotdeauna un transfer de energie, de la cutie spre exterior, care este egal cu Fd. În general, când energia este transferată, ne referim la măsura energiei transferate ca la lucru mecanic, L. Dacă, așa cum este cazul în exemplul cutiei negre, mișcarea obiectului asupra căruia este aplicată forța este în aceeași direcție cu forța, atunci L=Fd.

x. Aruncătorul mingii conferă energie cinetică mingii, deci el execută lucru mecanic asupra ei. Pentru a executa cel mai intens lucru mecanic posibil, el

aplică cea mai mare forță posibilă, pe cea mai mare distanta posibilă.

Dacă mișcarea este în direcția opusă forței, atunci L=-Fd; lucrul mecanic negativ trebuie să fie interpretat ca energia pierdută de obiectul asupra căruia a fost exercitată forța. De exemplu, dacă Superman se așază în fața unui tren de marfă în mișcare și îl oprește, el pierde energie. Într-o mașină normală, cu motor pe benzină, apăsând pe frâne se consumă energia cinetică a mașini (se aplică un lucru mecanic negativ asupra ei) și se transformă în căldură, la nivelul saboților de frână. Într-o mașină electrică sau într-una hibrid energia cinetică a mașinii este transformată din nou în energie cinetică, ca să fie utilizată din nou.

2.Forța de frecare. Legile frecării la alunecare

O forță care se exercită asupra unui corp rezultând din contact direct cu

un alt corp este numită forţă de contact. La contactul a două corpuri apar

întotdeauna două forțe: reacţiunea normală, notată FN sau N, și forţa de

frecare, Ff. Ori de câte ori un corp alunecă pe suprafața altuia apare o forţă de

frecare tangentă la suprafața de contact și opusă sensului de mișcare.

Forța de frecare la alunecare este proporțională cu apăsarea normală

pe suprafața de contact, mai precis, cu rezultanta tuturor forţelor care

acţionează pe direcţia normală la direcţia deplasării (FN).

Această forță de frecare se mai numește șl uscată spre deosebire de

frecarea ce apare între două straturi de fluid (aer sau lichid), ce se mișcă cu

viteze diferite unele față de altele și care se numește frecare umeda sau

viscozitate.

Modulul forței de frecare este: F f=μFN .

Legile frecării:

1. Forța de frecare la alunecare nu depinde de mărimea suprafețelor

aflate în contact, ci numai de natura suprafețelor aflate în contact (prin

coeficientul de frecare μ).

2. Forța de frecare la alunecare este proporțională cu rezultanta

forțelor ce acționează pe direcție normală la direcția deplasării.

Pe plan înclinat, greutatea corpului (forța ce acționează asupra lui) se

descompune în două componente, după două direcții convenabil alese:

Dacă mișcarea este uniformă, înseamnă că

G sinα=F f

F f=μG cosα .

Rezultă G sinα=μGcos α , deci μ=G sinαG cosα

=tg α.

Unghiul α se numește unghi de frecare.

3.Forţa de tensiune

La principiul acțiunii și reacțiunii am menționat că în cazul corpurilor legate

prin fire și tije apare o forță de tensiune. De obicei nu luăm în considerare masele

firelor sau tijelor și le considerăm inextensibile. în acest fel, chiar dacă li se imprimă

o accelerație, forța aplicată la unul dintre capete se transmite integral la celălalt

capăt.

In cazul figurii , accelerația este imprimată cablului de masă m de forța rezul-

tantă F2 – F1:

ma = F2 – F1

Neglijând, însă, masa, m = 0:

F2 – F1 = 0 sau F2 = F1

Această forță se numește tensiune și se notează cu T.

Tensiunea se transmite în firele inextensibile.

Tensiunea în cazul unui scripete fix

Fie un scripete fix . Problema care se pune este de a găsi

accelerația și tensiunea în fir pentru acest caz. Sublini-

em că în cazul scripeților ficși corpurile se mișcă cu

aceeaşi acceleraţie a. Aplicând principiul al II-lea al

dinamicii, sistemul format din corpurile de mase m1 și m2 se mișcă cu accelerația a,

în sensul arătat, sub acțiunea rezultantei forțelor:

(m1+m2)a=m2g−m1 g , rezultă a=m2−m1m2+m1

g (1)

Pentru a determina tensiunea T se face o secțiune (mentală) în fir și se

aplică principiul al II-lea:

m1a=T−m1g , m2a=m2 g−T (2)

Înlocuind cu expresia accelerației (1) în oricare din relațiile (2), obținem

pentru tensiune expresia:

T=2m1m2m1+m2

Tensiunea în cazul scripeţilor mobili

Cel mai simplu sistem de scripeți mobili este

redat în figură. In toate cazurile de sisteme de scripeți

mobili, corpurile se mișcă cu acceleraţii diferite. Prin

urmare, „tăieturile mentale" se practică de la început.

Aplicând principiul fundamental al dinamicii, pentru

fiecare corp în parte, se scrie:

m1a1=mg−T , m2a2=2T−m2 g (3)

Se constată experimental că dacă corpul de masă m1 parcurge, într-un timp

t, distanța s, corpul de masă m2 parcurge, în același timp, jumătate din distanță.

Deci, relațiilor (3) li se mai adaugă o relație între accelerațiile celor două corpuri:

a1=2a2.(4)

Exprimând a, și a2 din relațiile (3) și înlocuind în relația (4), expresia pentru

tensiunea din fir devine:

T=3m1m2m2+4m1

4.Echilibrul mecanic

Conform principiului fundamental al dinamicii, pentru ca un sistem de forțe care acționează asupra unui corp, să nu-i schimbe starea de mișcare rectilinie sau de repaus, este necesar ca rezultanta acestor forțe să fie nulă. Această concluzie este valabilă numai la mișcarea de translație a corpurilor, nu și referitor la mișcarea de rotație a acestora. Rezultă că echilibrul corpurilor trebuie studiat atât în raport cu mișcarea de translație cât și cu mișcarea de rotație.

Corpurile rigide sunt în echilibru în raport cu mișcarea de translație dacă sunt în repaus sau dacă se deplasează rectiliniu și uniform față de sistemele de referință inerțiale. Un corp solid rigid va fi în echilibru de translație dacă rezultanta forțelor ce acționează asupra lui este nulă:

Prin mișcarea de rotație a corpului rigid se înțelege mișcarea în care toate punctele sale descriu cercuri cu centrele pe o dreaptă numită axă de rotație. După cum se știe, efectul de rotație al unei forțe, se definește momentul forței: M=Frsina

Condiția pentru ca un corp rigid să fie în echilibru față de mișcarea de rotație este ca momentul rezultant al forțelor față de un punct, numit pol, sau față de o axă să fie nul:

Alegerea polului de rotație se face convenabil în vederea scrierii comode a tuturor momentelor. Uneori se pot alege chiar mai mulți poli de rotație stabilind echilibrul pentru fiecare pol. Stabilirea condițiilor de echilibru se face analizând posibilitățile de mișcare ale corpului: dacă este translație, rotație sau ambele mișcări.

5.Mișcarea circulară

Dacă un corp este supus unei forțe F, constantă, cu orientarea perpendiculară pe vectorul viteză v, atunci traiectoria pe care se mișcă el este o circumferință iar el parcurge arce de cerc egale în intervale de timp egale. Astfel de mișcare se numește mișcare circulară uniformă.

Elementele mișcării:

1) Perioada T este timpul în care mobilul parcurge o circumferință completă. Mișcarea circulară este o mișcare periodică, deci se repetă după un interval de timp, bine precizat:T=t/n<T>SI=s

2) Frecvenţa n (turaţia) reprezintă numărul de circumferințe, complete, parcurse în unitatea de timp: n=n/t

<n>SI=s-1 (Hz)Între frecvență și perioadă este ușor de observat că există relația:n=1/T

3) Viteza periferică v este viteza cu care un mobil se deplasează pe circumferință. Deoarece orientarea ei este tangentă la circumferință, ea se mai numește și viteză tangențială.v=AB/t

Pentru o circumferință completă arcul de cerc AB este egal cu lungimea cercului AB=2pR, iar timpul necesar este egal cu o perioadă t=T, astfel formula vitezei devine:

v = 2pR/T sau v = 2pRn

4) Viteza unghiulară w arată cât de repede sunt descrise unghiurile la centru de către raza vectoare. Viteza unghiulară este reprezentată printr-un vector perpendicular pe planul circumferinței.

Valoarea vitezei unghiulare este : w=a/t<w>SI=rad/sSe pot deduce ușor și alte formule de calcul pentru viteza unghiulară:w=2p/T sau w=2pn

Sensul vectorului viteză unghiulară v se poate deduce cu ajutorul regulii burghiului sau a mâinii drepte, orientarea fiind perpendiculară pe cerc. Între viteza unghiulară și viteza periferică se poate deduce relația: v=wR

5) Acceleraţia centripetă ac este rezultatul acțiunii forței centrale Fc și se calculează pe baza formulei de definiție a accelerației : a=Dv/Dt. Astfel, expresia de calcul a accelerației centripete este:

a = v2/R = 4p2n2R

Orientarea vectorului accelerație centripetă este dată de orientarea forței centripete: spre centrul cercului parcurs de corp.

6) Forţa centripetă Fc este forța necesară pentru a menține un corp într-o mișcare circulară. Această forță este centrală și modifică mereu direcția vectorului viteză, determinând apariția accelerației centripete.

Fc=mw2R

Forța centripetă este o forță centrală de legătură a corpului, ea poate fi o forță elastică, gravitațională, electrică etc.

7) Forţa centrifugă Fcf

Pe un disc ce se poate roti în jurul unui ax, este așezat un corp, legat de ax prin intermediul unui dinamometru. În timpul rotirii discului, observatorul de pe disc pune în evidență, cu ajutorul dinamometrului, o forță F. Apare o nedumerire din partea observatorului: deși asupra corpului acționează o forță totuși corpul nu se mișcă pe disc. Pentru a rezolva dilema, observatorul atașează corpului o forță Fcf , complementară forței F, pe care o numește forță centrifugă. Forța centrifugă (de inerție) Fcf echilibrează forța F în interiorul

sistemului de referință (disc) încât, corpul este în echilibru și repaus față de acesta. Ce se va întâmpla decă se va rupe legătura corpului cu axul? Față de observator, corpul se va îndepărta, deoarece el nu mai este în echilibru, singura forță care rămâne, în acel moment, este forța centrifugă de inerție și are ca efect îndepărtarea corpului față de axul de rotație.

6.Momentul

O forță ce acționează asupra unui corp poate avea următoarele efecte:

- efect static (de deformare)- efect dinamic (de translație și de rotație)

Momentul forţei

Pentru a caracteriza efectul de rotație al unei forțe a fost necesar să se definească mărimea fizică vectorială numită momentul forței.

Momentul forței se poate exprima prin produsul vectorial dintre vectorul de poziție !r al punctului de aplicație al forței !F ce acționează asupra corpului, față de centrul de rotație și forță:

- modulul este dat de relația:M=Frsina- direcția vectorului !M este perpendiculară pe planul vectorilor !F și !r- sensul vectorului este dat de regula burghiului- unitatea de măsură în SI este <M>SI=Nm

Produsul rsina=b se numește braţul forţei, fiind perpendiculara dusă din centrul de rotație pe suportul forței, încât:M=Fb

Dacă asupra punctului material acționează mai multe forțe, fiecare forță dă un moment față de același centru de rotație:

Teorema lui Varignon Suma vectorială a momentelor forțelor concurente față de un punct este egală cu momentul rezultantei acestor forțe în raport cu același punct.

Momentul cinetic

Efectul de rotație asupra unui corp poate fi dat și de către impulsul mecanic.

Dacă cu o suflantă se trimite un jet de aer asupra paletelor unei turbine se obține un efect de rotație. Se definește astfel, momentul cinetic ca fiind mărimea vectorială ce caracterizează efectul de rotație al impulsului:

- modulul vectorului moment cinetic este: L=mvrsina- direcția este perpendiculară pe planul vectorilor !r și !p- sensul este dat de regula burghiului rotit în sensul mișcării.

În cazul în care impulsul !p este perpendicular pe !r , momentul cinetic este: L=mvr Ţinând cont de expresia momentului forței: M=rF, de legea a doua a dinamicii:

se poate scrie:

sau:

deci:

Teorema variaţiei momentului cinetic: momentul forței față de un punct este egal cu variația momentului cinetic pe unitatea de timp, față de acel punct.

Legea conservării momentului cinetic: pentru un sistem izolat momentul cinetic se conservă.

Dacă M=0 Þ DL=0 Þ Lf=Li Þ mvr=ct.

7.Mișcarea rectilinie și uniformă

Accelerația este zero, viteza este constantă

Conform principiului I al dinamicii, un corp se va mișca rectiliniu și uniform, dacă asupra lui nu acționează forțe sau dacă acestea sunt în echilibru:

În acest caz viteza medie coincide cu viteza momentană. Considerând un mobil ce execută o mișcare rectilinie uniformă și atașând un sistemde referință cu o singură axă Ox.

Coordonatele mobilului la diverse momente, se pot calcula cu ajutorul ecuației coordonatei pentru mișcarea uniformă:

x=x0 + v(t-t0) - ecuația coordonateisau

Ecuația coordonatei (spațiului) este o ecuație liniară ce poate fi redată de unul din graficele următoare:

Graficul distanţă-timp Deoarece viteza este constantă, panta graficului distanţă-timp este egală cu viteza. În simularea de mai jos, se poate observa că, la v=0,5ms-1, panta este 0,5; iar la v=1ms-1, panta este 1.vizualizare...

Graficul viteză-timp al mișcării rectilinii uniforme: aria subgraficului reprezintă distanța parcursă: distanța = viteza * timpvizualizare...

8.Forţa

Un newton este forța necesară pentru a imprima unui corp cu masa de 1kg o accelerație de 1ms-2

Legile lui Newton sunt trei legi ale fizicii care dau o relație directă între forțele care acționează asupra unui corp și mișcarea acelui corp. Ele au fost enunțate de Sir Isaac Newton în lucrarea sa Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (1687). Aceste legi formează baza mecanicii clasice și Newton

însuși le-a folosit pentru a explica multe rezultate privind mișcarea obiectelor fizice. În al treilea volum al textului, a arătat că aceste legi ale mișcării, combinate cu legea atracției universale, explică legile lui Kepler privind

mișcarea planetelor.

Prima lege a lui Newton - Principiul I al mecanicii Orice corp își menține starea de repaus sau de mișcare rectilinie uniformă atât timp cât asupra sa nu acționează alte forțe sau suma forțelor care acționează asupra sa este nulă.

Dacă aupra unui corp nu acționează nicio forță rezultantă, atunci corpul:- dacă este în repaus, rămâne în repaus - dacă este în mișcare, își continuă mișcarea cu o viteză constantă, pe o traiectorie dreaptă.

A doua lege a lui Newton - Principiul al II-lea al mecanicii Newton introduce noțiunea de cantitate de mișcare, ceea ce astăzi se numește impuls. Aceasta este o mărime vectorială egală cu produsul dintre masă și viteză. p=mv Principiul al doilea al mecanicii introduce noțiunea de forță ca fiind derivata impulsului în raport cu timpul. F=dp/dt sau folosind definiția impulsului F=d(mv)/dt. În mecanica newtoniană se consideră că masa este constantă (independentă de viteză) cât timp se păstrează integritatea corpului, deci F=mdv/dt. Adică F=ma. Cu cât un obiect este mai greu, cu atât este necesară o forță mai mare pentru a-i imprima aceeași accelerație: F = ma A treia lege a lui Newton - Principiul al III-lea al mecanicii Când un corp acționează asupra altui corp cu o forță (numită forță de acțiune), cel de-al doilea corp acționează și el asupra primului cu o forță (numită forță de reacțiune) de aceeași mărime și de aceeași direcție, dar de sens contrar. Acest principiu este cunoscut și sub numele de Principiul acțiunii și reacțiunii. Principiul suprapunerii forţelor Dacă mai multe forțe acționează în același timp asupra unui corp, fiecare

forță produce propria sa accelerație în mod independent de prezența celorlalte forțe, accelerația rezultantă fiind suma vectorială a accelerațiilor individuale.

Forţe care acţionează asupra unui vehicul Asupra unui vehicul staţionar (viteza este zero) acționează, doar pe verticală, forța de greutate și forța normală. Asupra unui vehicul aflat în mișcare cu viteză constantă, pe verticală acționează forța de greutate și forța normală, iar pe orizontală forța de tracţiune și forța de frecare.

Calculul acceleraţiei gravitaţionale g Lăsăm să cadă o bilă de la o anumită distanță. Cu ajutorul graficului viteză-timp, calculăm g = delta(viteza) / delta(timp) Frecarea Pe măsură ce forţa de tracţiune crește, crește și forţa de frecare statică. O dată ce blocul începe să se deplaseze, frecarea statică se transformă în frecare dinamică.Ff=µN Forţa elastică Fe = k•Δx Forța elastică este direct proporțională cu alungirea/comprimarea resortului.

9.Puterea

Este evident că efectuarea unui lucru mecanic de către o forță se poate face mai repede sau mai încet.

Pentru a arăta viteza cu care se efectuează un lucru mecanic a fost definită puterea mecanică prin următoarea expresie de calcul:P = L / t, unde t reprezintă durata în care se efectuează lucrul mecanic. Unitatea de măsură este J/s, adică W.

Deseori, diferite mijloace de transport se deplasează cu vitezăconstantă. Rezultă că forța de tracțiune a motorului este egală și de sens opus

cu forțele de rezistență întâmpinate din partea mediului cu care vin în contact. Lucrul mecanic efectuat de forța aplicată este:

L = Fd

iar puterea mecanică pusă în joc are următoarea expresie:

P = Fd/t = Fvm

Astfel, se poate stabili o proporționalitate între viteza medie și puterea motorului:

vm = P/F

Deci, pentru a construi vehicule care să se deplaseze cu viteze mari, trebuie ca puterea motorului să fie mare.

10.Energia

Mărimea fizică, numită energie, caracterizează posibilitatea unui sistem de corpuri de a efectua lucru mecanic, datorită unor factori mecanici ca: viteză, deformare, poziție în câmp de forțe etc. Energia determină relația dintre corpuri, de aceea valoarea ei este relativă.

Cuvânul energie provine din limba greacă, care este format din două cuvinte (în și acțiune) , ceea ce ar însemna că energia reprezintă capacitatea de acțiune sau puterea de a face ceva.

Un corp sau un sistem de corpuri, posedă energie dacă poate să efectueze un lucru mecanic. De exemplu, un corp legat de un resort tensionat, un corp ridicat la o înălțime deasupra Pământului, un corp aflat în mișcare.

Energia este o mărime de stare a corpului sau a sistemului, în timp ce lucrul mecanic este o mărime de proces. Un lucru mecanic motor sau rezistent impune modificarea energiei, ducând la creșterea sau scăderea ei.

Energia cinetică

Considerăm corpul cu masa m care la momentul inițial t0=0 are viteza v1. Din acest moment, asupra lui, o forță F efectuează un lucru mecanic pe o distanță d, după care viteza lui devine v2.

L = Fd = mad

Potrivit ecuației lui Galilei

se poate scrie:

Astfel, lucrul mecanic se poate exprima prin următoarea ecuație:

Se constată că lucrul mecanic efectuat de o forță, pe direcția de mișcare, este egal cu diferența dintre valoarea finală și valoarea inițială a unei mărimi fizice care caracterizează starea de mișcare a acelui corp față de sistemul de referință luat în considerație. Se definește, astfel mărimea numită energie cinetică Ec care caracterizează starea de mișcare a corpului la un moment dat:

Expresia lucrului devine: L=DEc care exprimă teorema de variaţie a energiei cinetice: variația energiei cinetice a unui punct material, aflat în mișcare față de un sistem de referință inerțial, este egală cu lucrul mecanic al forțelor exterioare ce acționează asupra acestuia.

Energia potenţială

Abordarea unor fenomene din dinamică poate fi făcută în moduri diferite:

a) considerând corpul studiat ca o entitate ce este sub influența unor acțiuni exterioare, măsurate prin forțe, de unde rezultă lucrul mecanic și care implică variația energiei cinetice DEc a acelui corp;

b) considerând corpul studiat ca făcând parte dintr-un sistem de corpuri legate între ele prin interacțiuni ce determină energii interne ale sistemului numite energii potențiale. Aceste energii pot să efectueze lucru mecanic individual prin modificarea pozițiilor acelor corpuri ce alcătuesc sistemul, dar nu modifică starea întregului sistem. Fiecărei configurații a sistemului îi corespunde o energie potențială, iar schimbarea configurației sistemului determină variația energiei potențiale.

Energia potenţială gravitaţională

După cum am arătat, lucrul mecanic al forțelor conservative nu depinde de forma drumului între starea inițială și cea finală. Astfel, valoarea lucrului mecanic al forțelor conservative este dată de diferența dintre o mărime finală și una inițială ce caracterizează stările sistemului.

Considerând sistemul corp-Pământ, forțele sunt conservative și lucrul mecanic pus în joc pentru schimbarea poziției corpului între punctele A și B este L=mg(h1-h2) sau L = - (mgh2- mgh1).

Din această formulă se observă că lucrul mecanic este egal cu diferența dintre două mărimi: mgh2 și mgh1 ce caracterizează starea finală și starea inițială a sistemului corp-Pământ prin poziția lor relativă, deci: L=-DEp

Se vede că lucrul mecanic definește precis variația energiei potențiale nu și valoarea absolută a acesteia. Din acest motiv în majoritatea cazurilor se ia drept poziție de zero pentru energia potențială, suprafața Pământului și astfel se definește energia potențială gravitațională, cu expresia:

Ep = mgh

Energia potențială gravitațională este dependentă de poziția corp-Pământ prin înălțimea h. Astfel, se cunoaște că o sonetă este mai eficientă dacă greutatea este ridicată la o înălțime mare; apa acumulată în lacul unei hidrocentrale are energie potențială mare deoarece lacul de acumulare este situat la o altitudine mai mare decât cea a centralei electrice.

Energia potenţială elastică

Considerăm un resort elastic, fixat la un capăt de un suport rigid, iar la celălalt capăt are un corp mobil.

După deformarea resortului cu x1 în el va lua naștere o forță elastică, care este o forță conservativă. Lăsând resortul liber, el va deplasa corpul, efectuând un lucru mecanic, dar în același timp va trece în altă stare, cu tensiunea corespunzătoare deformării x2. Se spune că resortul tensionat are energie potențială deoarece poate efectua asupra corpului un lucru mecanic ce are expresia:

Întrucât L=-DEe se definește mărimea fizică numită energie potențială elastică:

Energia elastică este energie de poziție deoarece conține mărimea x sub denumirea de deformare, ce înglobează pozițiile relative ale elementelor resortului (spirele). Se spune că un resort are energie dacă este tensionat (alungit sau comprimat). Un pistol jucărie, cu arc, are înmagazinată energie în el dacă resortul acestuia a fost comprimat. Apăsând pe trăgaci, resortul se destinde și produce lucru mecanic aruncând săgeata sau bila.

Conservarea energiei mecanice

Considerând sistemul Pământ-corp în care corpul este la înălțimea h lăsat liber, corpul cade datorită lucrului mecanic al forței gravitaționale.

a) Lucrul greutății L determină variația energiei cinetice a corpului L=DEc

b) În timpul căderii are loc variația energiei potențiale L=-DEp

Fiind vorba de același lucru mecanic, exprimat în două moduri se poate scrie:

Acestă relație sugerează ideea că energia mecanică a unui sistem izolat, în care acționează numai forțe conservative, este constantă, deci se conservă:

Condiția necesară pentru ca energia mecanică să se conserve este ca sistemul să nu fie supus unor forțe neconservative: frecare, motoare electrice, motoare termice acțiuni umane sau animale, sistemul de corpuri luat în considerare să fie izolat de alte sisteme.

Randamentul mecanic

Mecanismul este un sistem fizic prin care se transferă energie mecanică. Pentru orice mecanism se pune întrebarea dacă transferul de energie se face integral sau doar parțial, cât din lucrul mecanic de la intrare se regăsește în lucrul mecanic de ieșire? Cât de eficient estemecanismul?

În timpul transferului de energie, sistemul fizic suferă deplasări și deformări mecanice, în cursul cărora o parte din energia mecanică transmisă se pierde pentru învingerea frecărilor și a altor forțe interne.Se poate scrie:

Lc= Lu+ Lf

unde Lc reprezintă lucrul primit de către mecanism (consumat), Lu este lucrul mecanic util efectuat de către mecanism iar Lfînglobează lucrul mecanic pierdut în timpul fenomenului prin diverse forțe disipative.

Prin definiție, randamentul mecanismului h este raportul dintre lucrul mecanic util Lu și lucrul mecanic consumat Lc de către sistem:

Ţinând cont de formula lucrului mecanic total (consumat) se poate scrie:

Faptul că randamentul are valoare subunitară arată că nu toată energia primită de mecanism poate fi transferată sistemului mecanic.

Randamentul planului înclinat

În cazul planului înclinat, lucrul mecanic util este cel efectuat pentru a ridica un corp la înălțimea h: Lu= mgh = mglsina.

În prezența frecărilor, lucrul mecanic consumat pentru a ridica corpul la această înălțime, pe planul înclinat este Lc= mgl(sina+µcosa) iar randamentul planului este:

sau

Randamentul poate fi maxim ( h=1 ) numai dacă mișcarea se face fără frecare ( µ=0).

Bibliografiehttp://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:Energia

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:Echilibrul_mecanic

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:Puterea

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:For%FEa

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:MRU

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:Momentul

http://www.scientia.ro/fizica/130-fizica-conceptuala/5840-lucrul-mecanic.html

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:Mi%BAcarea_circular%E3

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Mecanica:Energia