Fysica/Energie

Uit Wikibooks
Ga naar: navigatie, zoek

Arbeid en energie[bewerken]

In dit hoofdstuk zal je ontdekken dat arbeid en energie heel veel te maken hebben met elkaar. Dankzij energie wordt het mogelijk om arbeid te verrichten, en arbeid is het proces waarbij energie wordt omgezet of verplaatst.

Met andere woorden:

  • Een voorwerp met veel energie kan veel arbeid verrichten.
  • Bij het verrichten van arbeid staat het object dat de arbeid verricht energie af aan het object waarop de arbeid verricht wordt.

Arbeid[bewerken]

Tour skate ice1.jpg

Het heeft gevroren en ik ga mijn zoontje leren schaatsen. Hij heeft zijn schaatsen aan en het kost me nauwelijks moeite om hem voort te duwen. Ik hoef (bijna) geen arbeid te verrichten. Als we uitgeschaatst zijn til ik hem van het ijs. Dat kost me wel moeite; nu moet ik wel arbeid verrichten.

In beide gevallen verplaats ik mijn zoontje. In het eerste geval zonder dat er een kracht tegenwerkt en in het tweede geval tegen de zwaartekracht in.

Indien op een voorwerp een kracht F wordt uitgeoefend, en er is een verplaatsing Δx in de richting van die kracht, dan kunnen we zeggen dat de kracht een arbeid verricht.

Hierin is:

  • W: de verrichte arbeid (J)
  • F: de kracht in de richting van de verplaatsing (N)
  • Δx:: de verplaatsing (m)

De eenheid van arbeid is de joule (J) ofwel de newton-meter (Nm).

Indien de verplaatsing niet in de richting van de kracht is, dan verricht alleen de component van de kracht die in de richting van de verplaatsing werkt, arbeid. Als er tussen de verplaatsing en de kracht een hoek α is, heeft die component de grootte:

Voor de arbeid volgt dan :

Hierin is:

  • W: de verrichte arbeid (J)
  • F: de kracht (N)
  • Δx: de verplaatsing (m)
  • α de hoek tussen de kracht en de verplaatsing (graden)


Je duwt een voorwerp 20 m vooruit. Hiervoor heb je een kracht nodig van 15 N in de richting van de verplaatsing. Hoeveel arbeid heb je verricht op het voorwerp?

Stap 1: Onderzoek wat er gegeven is

  • De uitgeoefende kracht F = 15 N
  • De verplaatsing Δx = 20 m
  • De kracht en de verplaatsing hebben dezelfde richting. Fx = 15 N. Alle gegevens staan in de juiste eenheden. Er moet dus niets omgerekend worden.

Stap 2: Onderzoek wat er gevraagd is

  • Er wordt gevraagd hoeveel arbeid er verricht wordt. W = F.Δx.

Stap 3: Vul de juiste waarden in de formule in, en bereken de oplossing

  • W = F.Δx = 15 N . 20 m = 300 Nm = 300 J

Er wordt op het voorwerp een arbeid van 300 J verricht. Omdat de kracht en de verplaatsing in dezelfde richting werken, is het antwoord positief.

Opgaven:

  • Wordt er in de volgende gevallen arbeid op het onderlijnde voorwerp verricht?
    • Je schopt tegen een bal.
    • Je duwt tegen een muur.
    • Regendruppels vallen naar beneden.

Vermogen[bewerken]

Je moet van je baas straatstenen in een wagen laden. Het is een groot verschil of je elke seconde een steen in de wagen moet leggen of dat je voor elke steen een minuut de tijd heb. Per steen lever je steeds dezelfde arbeid, maar de arbeid die je per seconde moet leveren is in het eerste geval 60 keer zo groot als in het tweede geval. Men zegt dat er in het eerste geval een groter vermogen ontwikkeld wordt.

Het vermogen is de verhouding van de arbeid die verricht wordt tot de tijdsduur die hiervoor nodig is.

Hierin is:

  • P: het vermogen (W)
  • W: de geleverde arbeid (J)
  • Δt:: de tijdsduur (s)

Soms vind men ook de formule

Hierin is:

  • P: het vermogen (W)
  • W: de gecumuleerde arbeid (J)
  • Δt:: de tijdsduur (s)


De eenheid voor vermogen is de watt (W). Eén watt komt overeen met een verrichte arbeid van 1 joule per seconde.

Een andere bekende, maar verouderde, eenheid voor vermogen is de paardenkracht (pk), die in verschillende landen een verschillende definitie (en waarde) had. De meest gebruikte paardenkracht is ongeveer 736 watt.

Een gloeilamp met een vermogen van 60 watt gebruikt een hoeveelheid energie van 60 joule per seconde. Een praktische, niet-SI-eenheid, die rechtstreeks van de watt is afgeleid is de kilowattuur. Dit is een eenheid van energie.

Opgaven:

  • Bereken hoeveel joule overeenkomt met 1 kWh.

Energie[bewerken]

De zon in bewerkte kleuren

Onze belangrijkste energiebron is de zon. De energie van de zon wordt op aarde in verschillende andere energievormen omgezet:

  • windenergie
  • warmte
  • elektrische energie
  • bewegingsenergie (bv. wind, stromend water,...)
  • hoogte-energie
  • ...

Kinetische energie[bewerken]

Een windmolen zet kinetische energie om in elektrische energie

Kinetische energie of bewegingsenergie is een vorm van energie die een lichaam heeft doordat het beweegt. De kinetische energie van een bewegend voorwerp is evenredig met de massa m van het object en het kwadraat van de grootte v van de snelheid:

Hierin is:

  • Ekin: de kinetische energie van het voorwerp (J)
  • m: de massa van het voorwerp (kg)
  • v: de snelheid van het voorwerp (m/s)


Een trein van 600 ton rijdt tegen 120 km/h. Bereken de kinetische energie.

Stap 1: Onderzoek wat er gegeven is

  • De massa van de trein m = 600 ton
  • De snelheid v = 120 km/u

De gegevens staan niet in de juiste eenheden en moeten dus omgerekend worden.

  • m = 600 ton = 600 000 kg (1 ton = 1000 kg)
  • v = 120 km/u = 33,33 m/s (1 m/s = 3,6 km/u)
Transrapid.jpg

Stap 2: Onderzoek wat er gevraagd is

  • Er wordt gevraagd hoeveel kinetische energie de trein bevat. Ekin = (m.v2)/2.

Stap 3: Vul de juiste waarden in de formule in, en bereken de oplossing

  • Ekin = (m.v2)/2 = (600 000 kg . (33,33 m/s)2)/2 = 333 333 333 J = 333 MJ

De kinetische energie van de trein bedraagt 333 MJ.

Potentiële energie[bewerken]

Een voorwerp dat energie heeft maar niet beweegt, bezit potentiële energie, d.w.z. het voorwerp heeft de potentie arbeid te verrichten. Er zijn verschillende soorten potentiële energie.

Gravitatie-potentiële energie[bewerken]

240 Sparks Elevators.jpg

Als je een voorwerp opheft, verricht je arbeid. Als het voorwerp weer terugkeert, kan het voorwerp ook zoveel arbeid verrichten. Het voorwerp heeft dus door het opheffen de mogelijkheid, de potentie, om arbeid te verrichten. Door het op te heffen is de potentiële energie in de vorm van gravitatie-potentiële energie van het voorwerp toegenomen. Je kunt zeggen dat er energie van jou naar het voorwerp is gegaan.

Hierin is:

  • Ep: de potentiële energie van het voorwerp (J)
  • m: de massa van het voorwerp (kg)
  • g: de valversnelling op het aardoppervlak (m/s2)
  • h: de hoogte van het voorwerp t.o.v. de beginhoogte (m)

Deze formule geldt enkel op de aarde daar ze onderstelt dat de aantrekkingskracht van de aarde constant is. Je mag eender welke hoogte als beginhoogte kiezen. Op de beginhoogte is er geen hoogte-energie. Om te voorkomen dat je met negatieve getallen moet rekenen, kan je best de beginhoogte in het laagste punt kiezen.

Als een voorwerp dat zich op een hoogte bevindt, naar beneden valt, dan wordt zijn potentiële energie omgezet in kinetische energie. Hoe langer het valt, hoe meer potentiële energie wordt omgezet in kinetische energie.

Hoeveel potentiële energie heeft een blokje met een massa van 20 kg als het 4 m hoog hangt?

Stap 1: Onderzoek wat er gegeven is

  • De massa van het voorwerp m = 20 kg
  • De hoogte h = 4 m

Stap 2: Onderzoek wat er gevraagd is

  • Er wordt gevraagd hoeveel hoogte-energie het blokje krijgt. Epot = mgh.

Stap 3: Vul de juiste waarden in de formule in, en bereken de oplossing

  • Epot = mgh = 20 kg . 9,81 m/s2 . 4 m = 784,8 J

Het voorwerp krijgt 784,8 J hoogte-energie.

Elastische potentiële energie[bewerken]

Hierin is:

  • Epot: de potentiële energie van het voorwerp (J)
  • k: de krachtconstante van de veer (N/m)
  • x: de uitrekking van de veer gemeten vanaf de niet-uitgetrokken toestand(m)


Opgaven:

  • Een mountainbiker is bezig met een afdaling. Op een hoogte van 160 m heeft hij een snelheid van 45 km/h. De totale massa van de mountainbiker bedraagt 95 kg. Bereken de kinetische energie van de mountainbiker. Bereken de hoogte-energie van de mountainbiker.
  • Een scheepslift brengt in 6 minuten een vrachtschip van 1000 ton van een laag gelegen kanaal, naar een kanaal dat 73 meter hoger ligt.
    • Hoeveel arbeid verricht de scheepslift op het vrachtschip? Bereken.
    • Welk vermogen ontwikkelt de scheepslift?
    • De scheepslift wordt elektrisch aangedreven. Hoeveel kost het aan electriciteit om het schip omhoog te brengen? (1 kWh kost 0,30 euro).
  • Om een veer 5 cm uit te rekken, moet je een arbeid van 12 J verrichten. Bereken de veerconstante.
  • Plaats de volgende energievormen in de juiste categorie: warmte, kernenergie, getijdenenergie, zonne-energie, windenergie, kernenergie, veerenergie. Kies uit kinetische energie of potentiële energie.


Behoud van mechanische energie[bewerken]

ShadMorcPartyStyle.jpg

Kinetische en potentiële energie zijn vormen van mechanische energie. De totale mechanische energie van een voorwerp, kan je vinden door alle kinetische energie en alle potentiële energie van het voorwerp op te tellen.

Wanneer op een voorwerp alleen krachten werken waarvoor een potentiële energie kan berekend worden, dan zal de som van kinetische en potentiële energie van dat voorwerp constant blijven. Men spreekt dan van behoud van (mechanische) energie.

Hierin is:

  • Em: de totale mechanische energie van het voorwerp (J)
  • Ek: de kinetische energie van het voorwerp (J)
  • Ep: de potentiële energie van het voorwerp (J)


Opgaven:

  • Een metalen bal van 2 kg is bevestigd aan een touw. De bal wordt logelaten in punt A en slingert voorbij punt B (het laagste punt). Bereken de snelheid van de metalen bal in punt B.
  • Een speelgoedgeweertje schiet m.b.v. een veer pijltjes af. Eén pijltje weegt 15 g. De veer heeft een veerconstante van 4000 N/m. Bij het laden van het pijltje wordt de veer 3 cm ingedrukt. Bereken de snelheid waarmee het pijltje het speelgoedgeweer verlaat. Bereken hoe hoog je een pijltje maximaal kan schieten indien je loodrecht omhoog schiet.
  • Een wagen rijdt van een heuvel. De wagen vertrekt uit stilstand en de heuvel is 20 m hoog. Bereken de snelheid van de wagen wanneer hij aan de voet van de heuvel is aangekomen. Er gaat geen energie verloren.
  • Een kind zit op een schommel en wordt één meter omhoog getrokken. Bereken de snelheid waarmee het kind voorbij het laagste punt gaat.
  • Een steen van 200 g wordt afgeschoten met een katapult. De katapult heeft een krachtconstante van 50 N/m en werd 60 cm uitgerokken. Bereken de snelheid van de steen bij het verlaten van de katapult.
  • Een man van 75 kg springt 2 m hoog, en komt dan terecht op een trampoline. Bereken hoe ver de trampoline uitrekt indien de krachtconstante van de trampoline 1000 N/m is.

Wet van behoud van energie[bewerken]

De wet van behoud van energie houdt in dat er geen energie kan verdwijnen of ontstaan. Energie wordt nooit gemaakt, en gaat nooit verloren. Energie kan alleen maar omgezet worden in een andere vorm, of overgezet worden op een ander voorwerp.

Opgaven:

  • Bereken hoeveel elektrische energie in een spaarlamp van 12 W wordt omgezet in licht en warmte als deze 3 uur brandt.
  • kringloop van water
    Op de volgende figuur wordt de kringloop van water afgebeeld. Bespreek de energieomzettingen die plaatsvinden. Welke energiebron veroorzaakt deze kringloop?

Rendement[bewerken]

EU energy label.png

Bij een energieomzetting wordt energie omgezet in nuttige en niet-nuttige energie. De verhouding van de nuttige energie tot de totale energie noemen we het rendement.

Hierin is:

  • η: het rendement
  • En: de nuttige energie (J)
  • Et:: de totale energie (J)

Je kan het rendement ook berekenen uitgaande van het vermogen:

Hierin is:

  • η: het rendement
  • Pn: het nuttige vermogen (W)
  • Pt:: het totale vermogen (W)

Een gloeilamp zet bijna 95% van de gebruikte energie om in warmte. Slechts 5% wordt dus echt gebruikt voor licht. Meestal is deze warmte niet nuttig. Er gaat dus veel energie verloren. Het rendement geeft aan welk deel van de totale energie nuttig gebruikt kan worden. Het rendement van onze gloeilamp is 5%.

Energie en milieu[bewerken]

Arctic ice melt.jpg

Steenkool, aardolie en aardgas zijn fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen zijn ontstaan uit organisch materiaal (planten en dieren). Dit organisch materiaal is miljoenen jaren geleden afgestorven, en werd onder hoge druk en hoge temperatuur omgezet in fossiele brandstoffen. Fossiele brandstoffen bevatten zeer veel energie, en zijn heel gemakkelijk te gebruiken. Een groot deel van de elektriciteit wordt opgewekt met fossiele brandstoffen.

Fossiele brandstoffen hebben op lange termijn veel nadelen. Ze zijn erg vervuilend en dragen bij aan het broeikaseffect (door het opwarmen van de aarde smelten de poolkappen, stijgt de zeespiegel, verandert het klimaat,...). Bovendien zijn fossiele brandstoffen geen onuitputtelijke bron van energie. Ooit, en dat duurt niet zo lang meer, raken ze op.

Nuclear icon2.PNG

Bij het produceren van elektriciteit m.b.v. kernenergie, worden er minder schadelijke stoffen uitgestoten, maar het radioactief afval vormt een groot probleem.

Hernieuwbare energie is, zoals de naam het zegt, energie die nooit opgeraakt. Zonne-energie, windenergie, geothermische energie, golfenergie, energie uit biomassa,... zijn allemaal bronnen van energie die zullen blijven bestaan totdat de zon explodeert. Dit kan nog miljarden jaren duren. Hopelijk is de mens er tegen dan in geslaagd om de aarde achter zich te laten!


 

Heckert GNU.png Deze pagina is vrijgegeven onder de GNU Free Documentation License (GFDL) en nog niet onder CC-BY-SA. Klik hier voor meer informatie.
Informatie afkomstig van http://nl.wikibooks.org Wikibooks NL.
Wikibooks NL is onderdeel van de wikimediafoundation.