Krafter          

Begrepp att förstå och kunna använda

Mekaniskt arbete

Lägesenergi

Rörelseenergi

Friktionskraft

Kraft

Energiprincip

Lutande plan

Hävstång

Block

Mekanikens gyllene regel

Effekt

Verkningsgrad

Från lektionerna

Kraft

All materia har en massa, den väger något. Inom fysiken talar man om krafter istället. Jorden påverkar all materia med sin dragningskraft (gravitation). Om man släpper ett föremål från hög höjd kommer föremålet att falla mot jorden med en accelererande hastighet.

Genom jordens gravitation kommer föremålet att öka sin fart varje sekund med 9.81 m/s 

Om bilens massa är 1000 kg hur stort arbete utförs då bilen kör upp för hela backen.

Lösningsförslag

1. Du måste först förstå att du måste göra om massan till kraft. Eftersom jordens gravitation är 9.81 (ca 10) multiplicerar vi massan hos bilen, 1000kg, med 10 och får då 10 000 N

2. Det är bara vägen i kraftens riktning som du skall använda dig av, alltså den vertikala sträckan på 5 meter.

mekaniskt arbete = 10 000 · 5 = 50 000 Nm

Svar: Det mekaniska arbetet är 50 000 nm

Joul är också en enhet för mekaniskt arbete. Svaret är således även 50 000 J 

Lägesenergi och rörelseenergi

För att föra ett föremål mot kraftens riktning krävs energi. Man utför ett mekaniskt arbete. Om man själv lyfter föremålet tas energin från kroppens kemiska energi och omvandlas till lägesenergi hos föremålet. I detta fall har jag lyft upp en låda med massan 2 kg på ett 1 meter högt bord.

Lägesenergi: 2 ^. 10 ^. 1 = 20Nm

När man beräknar lägesenergin gör du på samma sätt som vid mekaniskt arbete.

Om bordet hade varit 2 meter högt hade lägesenergin också blivit högre.

Lägesenergi: 2 ^. 10 ^. 2 = 40Nm

Viktigt att förstå

Energiprincipen: Enligt termodynamikens första lag kan inte energi vare sig förstöras eller bildas, bara omvandlas mellan olika former.

Har man väl lyft ett föremål med en viss massa och "laddat" den med lägesenergin kan denna energi övergå till rörelseenergi.

I exemplet ovan har jag lyft upp en låda med massan 2 kilo en meter. Lägesenergin är 20 Nm. Om lådan trillar ned från bordet övergår denna lägesenergi till rörelseenergi och slår troligen ned i golvet med en smäll. Rörelseenergin blir då noll. Vad hände då med rörelseenergin och hur stor blir rörelseenergin egentligen.

Eftersom energi inte kan skapas eller förstöras bara omvandlas mellan olika former omvandlas all lägesenergi till lika mycket rörelseenergi.

När föremålet slår i golvet förlora föremålet rörelseenergin som då omvandlas till värmeenergi.

Länk till animeringsprogram

Animeringen beskriver hur lägesenergi och rörelseenergi samspelar

Tre frågor om rörelseenergi och lägesenergi

1. Var i rampen har skateboard åkaren högst lägesenergi?

2. Var har skateboardåkaren lägst lägesenergi?

3. Hur är det då med rörelseenergin vid båda dessa punkter?

http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park-basics

Lösningsförslag:

1. Ju längre upp man kommer ju högre blir lägesenergin. Alltså är lägesenergin högst längst upp på rampen.

2. Ju  längre ned mot marken han kommer ju lägre är lägesenergin. Egentligen skall han kliva av rampen för att få lägst lägesenergi. Annars är det precis efter där lutningen planat ut.

3. Längst upp på rampen innan han åker är rörelseenergin noll men lägesenergin som högst.

Längst ned på rampen, precis där lutningen planat ut är rörelseenergin som högst. Samtidigt har lägesenergin blivit 0 

Friktionskraft

Friktionskraft är den kraft som uppstår när två föremål ligger an mot varandra. Denna kraft motverkar rörelsen hos ett föremål och gör att den till slut stannar om man inte tillför energi hela tiden.

Exempel 1

När man kör ut på motorvägen gasar man tills dess att bilen har farten 110km/h. Man tillför mer energi än vad som krävs för att bibehålla farten. Man vill att bilen skall accelerera. När man kommit upp i önskad fart släpper man något på gasen. Släpper man helt på gasen, då kommer bilen att stanna igen. Detta beror på att det uppstår en kraft mellan bilens däck och vägunderlaget (egentligen även luftmotstånd) som motverkar kraften framåt.

Friktionskraft uppstår då underlaget och föremålet inte är helt jämna. De har ojämnheter som greppar tag i varandra

Exempel 2

Om jag släpper en skateboard från toppen på en skateboardramp kommer till slut skateboarden att stanna, varför?

Jo, det uppstår en friktionskraft som motverkar rörelseenergin hos skateboarden. Detta gör att den till slut stannar

Nedan visar jag några friktionskoefficienter mellan olika material. Ju högre värde desto större friktion

Ämnen	Ytornas beskaffenhet	Friktionskoefficient
		Rörelse	Vila
trä mot trä	torra	0,3–0,6	0,25–0,5
Trä mot trä	bestrukna med torr tvål	0,15	0,36
Trä mot trä	bestrukna med torr talg	0,07	0,19
Trä mot trä	fuktade med vatten	0,25	0,68
Trä mot metall	torra	0,42	0,60
Trä mot metall	fuktade med vatten	0,24	0,65
Metall mot metall	torra	0,18	0,18
Metall mot metall	bestrukna med svinfett	0,09	0,10
Läder mot trä	lädret något fettigt	0,30	0,47
Läder mot gjutjärn	lädret något fettigt	0,23	0,28
Sandsten mot stål	stenen finkornig, våt	0,94
Sandsten mot smidesjärn	stenen finkornig, våt	1,0
Stål mot is		0,014	0,027
Vinterdäck mot vanlig is		0,1–0,3
Odubbade däck mot blixthalka		<0,05

Tabell från wikipedia

Effekt

Effekten anger hur stark en motor är. Hur mycket arbete motorn klarar av under en viss tid. En motor till en hiss borde vara stark då den skall lyfta många personer. Små hissar har en motor på 2000 watt medans en större motor har en effekt på 30 000 watt.

Så här beräknar du effekt eller formel för effekt

Effekt= mekansikt arbete

                    tid

Räkneexempel

En hiss väger ca 1oookg och kan lyfta ytterligare 1000 kg. Det tar 10 sekunder för hissen att åka från plan 1 till plan två. Det är 4 meters höjdskillnad. Vilken effekt har hissens motor?

Lösningsförslag 

Effekt = mekansikt arbete

                     tid

1. Mekaniskt arbete = kraft ^. väg       (1000kg + 1000kg) ^. 10 ^. 4meter = 80 000 Nm

Eftersom

2. Effekt:    80 000Nm = 8000Nm/s

                     10 s

3.  8000Nm/s = 8000J/s = 8000W = 8Kw

Enkla maskiner

Männsikan har länge utvecklat maskiner för att underlätta tunga lyft. I detta kapitel tar jag upp block och lutande plan.

Block

Ett block är ett hjul som har ett spår var i en vajer eller att rep kan löpa. Genom att fördela massan på flera vajrar minskar kraften på varje vajer.

I detta fall ovan har den totala massan på 400 kg fördelats på två vajrar som fästs i taket genom block. Varje vajer bär då massan 200 kg. När mannen drar i vajern en meter kommer blocket att höjas 0,5 meter.

Lutande plan

Om man skulle försöka få en bil att köra rakt upp 5 meter skulle säkert motorn inte klara av det. Bilen skulle heller inte få fäste på väggen och den skulle ändå falla ned. Det lutande planet gör det möjligt att få en tung bil eller något annat föremål upp på en höjd.

I bilden ovan skall en bil på 1000 kg köra upp för en ramp. Kanske för att köra upp på en båt. Hur stort arbete utförs för att köra upp bilen på rampen?

Lösningsförslag

1.  Mekansiskt arbete = Kraft · väg  10 000N^. 5m = 50 000 Nm

Man räknar precis lika dant som vid mekansikt arbete. OM rampen är 50 meter spelar ingen roll. Bilen med massan 1000kg skall fortfarande 5 meter upp i luften och enligt formeln skall man bara ta hänsyn till kraften och vägen. Vägen skall vara i kraftens riktning

Verkningsgrad

Verkningsgraden berättar hur många procent av bränslets energi som nyttjas till nyttig energi. (driva föremålet framåt)

Om en bilmotor har verkningsgraden 70% kommer motorn att omvandla 70% av den kemiska energin till nyttig energi. 30% kommer att omvandlas till värme som sedan släpps ut via avgaser eller direkt genom motorn. Dock har man blivit bättre på att bygga effektivare motorer vilket är bra för miljön.