Co to jest energia kinetyczna?

• Energia towarzyszy naszemu codziennemu życiu
• Energia kinetyczna powstaje w obiekcie, który się porusza
• Wartość energii kinetycznej zależy od masy i prędkości poruszającego się ciała oraz siły tarcia

Wśród różnych postaci energii znajduje się również energia kinetyczna. Do jej powstania potrzebna jest praca, która przezwycięża siłę tarcia wprowadzając dany obiekt w ruch. Wartość EK jest zależna od masy danego ciała oraz prędkości, z jaką się porusza. Wpływ na nią posiada również siła tarcia wytworzonego ze stycznością z nawierzchnią i oporu powietrza. Energia kinetyczna może być przekazywana z obiektu na obiekt, co ma zastosowanie np. w ustalaniu dozwolonych prędkościach na drogach.

Energia znajduje się w naszym otoczeniu

W codziennym życiu, często mówimy, że np. ,,to dziecko, ma dużo energii”, albo określamy kogoś, jako ,,osobę energiczną”. Fizycy zapewne złapaliby się za głowę, ale te nasze intuicyjne określenia nie odbiegają zbytnio od fachowej terminologii fizycznej, choć stanowią ogromne uproszczenie. Nic dziwnego, że szukamy uproszczeń, gdy dla dużej części ludzkości definicja energii, w pierwszym kontakcie, bardziej gmatwa niż wyjaśnia, czym ona jest. Według Encyklopedii PWN energia to: podstawowa wielkość fizyczna charakteryzująca w sposób ilościowy układ materialny, określająca ruch jego składników oraz ich wzajemne oddziaływanie.

Definicja energii kinetycznej

Co możemy wyciągnąć z tej definicji? Energia jest wielkością fizyczną, czyli można określić jej jakość i ilość. Na dodatek, owa wielkość fizyczna jest skalarna, tzn., że możemy opisać ją przy pomocy konkretnej liczby. Idąc dalej, ta skalarna wielkość fizyczna, opisuje ruch (pracę) opisywanego obiektu (ciała) oraz relacje, które zachodzą między obiektami. Innymi słowy, energia określa zdolność danego obiektu do ruchu (pracy). Skoro energia jest wielkością fizyczną, to musi posiadać swoją jednostkę, a jest to Dżul, który określa się jako (J). Ta jednostka określa pracę i energię (w tym również ciepła).

Występują różne rodzaje energii, choć mówiąc poprawnie różne postaci (np. energia kinetyczna, potencjalna, sprężystości, cieplna, czy jądrowa). Co ciekawe i być może zaskakujące dla dużej części ludzi: elektrownie nie tworzą energii. Nie da się jej stworzyć, ani zniszczyć. Możemy ją jedynie przekształcać, zmieniać jej postać. Dlatego elektrownie nie tworzą energii, ale przekształcają np. energię chemiczną, w energię elektryczną.

Gdzie znajduje się energia?

Pierwsze skojarzenia idą w stronę ,,gniazdka” i są prawidłowe. Energię ,,zamyka się” w bateriach czy akumulatorach, ale znajduje się praktycznie we wszystkim, w naszym otoczeniu. Światło słoneczne, ciepło, elektrony, czy ruch. Mało tego, ta energia ,,wchodzi w nas”. Gdy ogrzewamy się na słońcu, lub pijemy ciepłą herbatę, dostarczamy do organizmy energię cieplną. Kiedy jemy, to dostarczmy energię, dzięki czemu odżywiamy nasze mięśnie i ewentualnie tyjemy. Jest też dobra wiadomość dla walczących z nadwagą: tłuszcz również jest zbiornikiem energii. W czasie długotrwałego wysiłku organizm właśnie z niego przetwarza energię do działania.

Energia kinetyczna powstaje w obiekcie, który się porusza

Energia kinetyczna sprawia, że dany obiekt się porusza. Wprowadzenie go w ruch wymaga zastosowania na nim odpowiedniej siły, czyli przekazania energii. Dostarczona energia musi być silniejsza niż tarcie gruntu lub powietrza, w zależności od rodzaju obiektu, aby mógł zacząć się poruszać. Ilość dostarczanej energii wpływa na prędkość ruchu, a przerwanie jej dostarczania doprowadza do stopniowego spadku energii kinetycznej obiektu i w konsekwencji zatrzymania się go, na skutek tarcia.

Ilość pracy potrzebnej do wytworzenia energii kinetycznej w obiekcie, czyli do pokonania tarcia i wprowadzenia go w ruch, jest zależna od jego masy. Więcej pracy potrzeba do poruszenia pociągu, niż np. piłki. Dodatkowo prędkość poruszania się każdego obiektu powoduje wzrost energii kinetycznej, która może być przekazywana z obiektu na obiekt. Kiedy pociąg osiąga określoną energię kinetyczną i na swojej drodze napotyka inny obiekt, to przekazuje mu jej część, wprowadzając go w ruch. Im większa masa i prędkość pociągu, tym większa energia zostaje przekazana. Podobnie rzecz się ma na przykładzie piłki. Jeśli kopnięta piłka uderza innego zawodnika, a jej prędkość jest duża, prowadzi do jego przewrócenia. Im mniejsza jest masa piłki i szybkość jej lotu, tym skutki zderzenia są mniejsze.

Energia kinetyczna obliczana jest za pomocą masy i prędkości obiektu

Energia kinetyczna równa jest połowie iloczynu masy obiektu i kwadratowi jego prędkości. Oznacza to, że im większa masa i szybkość tym większa jest wartość energii. Prędkość obiektu jest wektorem, ale jego kwadrat jest zawsze, podobnie jak masa, wartością skalarną. Wynika z tego, że energia kinetyczna nigdy nie jest ujemna. Kiedy ciało pozostaje w spoczynku, nie porusza się, wartość energii jest równa 0. Kiedy praca wykonana na obiekcie pokonuje tarcie i wprowadza go w ruch, to wartość energii kinetycznej zawsze jest dodatnia.

Przez zrozumienie jej działania, możemy w inny sposób popatrzeć np. na przepisy drogowe i większe ograniczenia prędkości w terenach zabudowanych. Większa siła kinetyczna poruszającego się pojazdu, to oczywiście dłuższa linia hamowania, ale również, a może przede wszystkim dużo większa wartość przekazanej energii z innym poruszającym się pojazdem, lub uczestnikiem ruchu pieszego. Oznacza to oczywiście dużo większe szkody w przypadku stłuczki lub wypadku i większe zagrożenie życia i zdrowia innych uczestników ruchu.

Obliczanie EK za pomocą kwadratu prędkości obiektu informuje, że dwukrotny wzrost prędkości pojazdu, oznacza cztery razy większa energię. Jeśli samochód porusza się z prędkością 80 kilometrów na godzinę, to posiada cztery razy więcej energii niż ten, którego prędkość wynosi 40 km na godzinę. Ten przyrost energii, w przypadku kolizji, stłuczki lub wypadku, oznacza o 4 razy większą moc zderzenia, czyli większe szkody i zagrożenie.

Wpływ tarcia na energię kinetyczną

Kiedy wsiadamy na rower, praca którą wykonujemy by wytworzyć w nim EK, pochodzi z siły naszych mięśni. Wartość tej pracy zależy od naszej masy i wagi roweru, ale również od warunków, w których chcemy wystartować (podłoże, stopień nachylenia, wiatr). Więcej pracy potrzeba, gdy chcemy jechać po asfalcie, drodze gruntowej lub błocie. Ciężej jest nam jechać również wtedy, gdy kierunek wiatru jest odwrotny do kierunku naszego poruszania się. Ten napotkany opór nazywa się tarciem. Występuje między kołem, a nawierzchnią, po której się poruszamy oraz między nami a warunkami atmosferycznymi.

Przeczytaj także: Podłoga zamienia kroki w energię elektryczną.

Występowanie tarcia sprawia, że aby nasz rower był w ruchu, cały czas potrzebuje pracy, która to tarcie przezwycięża. Gdyby siła tarcia nie występowała, wystarczyło by wprowadzić obiekt w ruch, by ten cały czas się poruszał. Wtedy nie martwilibyśmy się np. o ceny paliwa. Kiedy przestajemy ,,pedałować”, lub w przypadku samochodu ,,wrzucamy na luz” i nie dostarczamy pracy naszemu obiektowi, nasze pojazdy powoli zwalniają, aż do całkowitego zatrzymania. Zmniejszająca się stopniowo wartość energii kinetycznej powoduje spadek prędkości, aż wartość jednej i drugiej staje się równa 0.