Energie, veerenergie en zwaarte-energie
Met energie kun je arbeid verrichten. Een voorwerp heeft energie als een kracht er arbeid op kan verrichten, zoals de zwaartekracht of een veerkracht. In deze les leer je twee mechanische energiesoorten en waar hun formules vandaan komen.
Na deze les kun je
- uitleggen wat energie, potentiële energie en een energieomzetting zijn
- een energie-stroomdiagram lezen
- de formule voor veerenergie afleiden uit de (F,u)-grafiek
- de formule voor zwaarte-energie afleiden
Dit weet je al
Arbeid en arbeid als oppervlakte onder een grafiek (les 6.1b).
Wat is energie?
Een snowboarder zet zich krachtig af en gebruikt daarbij chemische energie uit zijn lichaam. Na het hoogste punt van zijn sprong gaat hij steeds sneller omlaag, omdat de zwaartekracht arbeid op hem verricht. In het hoogste punt had hij dus energie: de zwaartekracht kon nog arbeid verrichten. Die energie heet zwaarte-energie.
Een voorwerp in een omgeving waar een kracht op werkt (zwaartekracht, veerkracht, elektrische of magnetische kracht) heeft potentiële energie. Afhankelijk van de kracht heet dat zwaarte-energie, veerenergie, elektrische of magnetische energie.
Bij het verrichten van arbeid wordt energie overgedragen. Verandert daarbij de soort energie, dan heet dat een energieomzetting. Dat gebeurt niet altijd zichtbaar via een kracht: een brandende kaars zet chemische energie om in licht (stralingsenergie) en warmte.
Het energie-stroomdiagram
Til je een koffer op, dan verricht je spierkracht arbeid. Chemische energie uit je lichaam wordt zwaarte-energie van de koffer. Je spieren worden ook warm: er ontstaat warmte, met symbool Q. Zo’n omzetting teken je als een energie-stroomdiagram:
De hoeveelheid energie die je hebt, bepaalt hoeveel arbeid je maximaal kunt verrichten. En bij een omzetting is de verrichte arbeid gelijk aan de omgezette energie. Daarom hebben arbeid en energie dezelfde eenheid:
De energiesoorten die belangrijk zijn bij bewegingen heten mechanische energiesoorten: veerenergie, zwaarte-energie en kinetische energie (volgende les).
Veerenergie
Rek je een veer uit, dan verricht je spierkracht arbeid en ontstaat er veerenergie. Ontspant de veer, dan verricht de veerkracht arbeid en wordt de veerenergie omgezet in een andere energiesoort. De hoeveelheid veerenergie is gelijk aan de arbeid die nodig was om de veer uit te rekken.
Die arbeid is de oppervlakte onder de (F,u)-grafiek. Bij een veer geldt F = C · u Binas, dus de grafiek is een rechte lijn en de oppervlakte een driehoek.
| oppervlakte = ½ × basis × hoogte | de oppervlakte onder de (F,u)-grafiek is een driehoek |
| oppervlakte = ½ · u · C·u | basis = u en hoogte = F = C·u |
| Ev = ½ · C · u2 | deze arbeid is gelijk aan de veerenergie |
Ev in joule, u de uitrekking (of indrukking) in meter, C de veerconstante in N/m.
Ev hangt af van u2: rek je een veer twee keer zo ver uit, dan heeft hij vier keer zoveel veerenergie.
Zwaarte-energie
Elk voorwerp dat omlaag kan vallen heeft zwaarte-energie. Hoe hoger, hoe meer. Spreek je af dat de zwaarte-energie op de grond 0 J is, dan geldt:
| Wz = Fz · s | valt het voorwerp, dan zijn Fz en de verplaatsing gelijk gericht |
| Wz = (m·g) · h | Fz = m·g en de verticale verplaatsing is de hoogte h |
| Ez = m · g · h | de zwaarte-energie is gelijk aan de arbeid die de zwaartekracht kan verrichten |
Vul u en h in meter in. Bij een veer is u de uitrekking ten opzichte van de onbelaste veer, niet de totale lengte van de veer.
Snap je het?
Een veer wordt van 2,0 cm naar 4,0 cm uitrekking gebracht. Hoeveel keer zo groot wordt de veerenergie?
Welke energieomzetting vindt plaats bij een brandende kaars?
De derde mechanische energiesoort, kinetische energie, en het verband tussen arbeid en snelheid volgen in les 6.2b.
Klaar met deze les? Zet hem op gelezen; je voortgang staat rechtsboven.