Eduqaleeromgeving
Leeromgeving Natuurkunde · 5 vwo H6 Arbeid en energie
0%
Hoofdstuk 6 · Les 3 van 9

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.

15 min

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:

Energie-stroomdiagram koffer optillenChemische energie gaat links het blok in; rechts komen zwaarte-energie en warmte eruit.EchemkofferoptillenEzQ
Links de gebruikte energie, rechts waar die naartoe gaat. De breedte van een pijl geeft aan hoeveel energie het is.

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:

1 newtonmeter (Nm) = 1 joule (J)

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.

Veerenergie uit de (F,u)-grafiekDe kracht van een veer neemt recht evenredig toe met de uitrekking; de oppervlakte onder de lijn is een driehoek.Veer: F = C·uFbasis = uhoogte = C·uoppervlakte = W
De arbeid die nodig is om de veer een uitrekking u te geven, is de oppervlakte van de driehoek: ½ × basis × hoogte.
Formule voor veerenergieBinas
oppervlakte = ½ × basis × hoogtede oppervlakte onder de (F,u)-grafiek is een driehoek
oppervlakte = ½ · u · C·ubasis = u en hoogte = F = C·u
Ev = ½ · C · u2deze arbeid is gelijk aan de veerenergie

Ev in joule, u de uitrekking (of indrukking) in meter, C de veerconstante in N/m.

≈Wat de formule je vertelt

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:

Ez = m · g · hBinasm in kg, g = 9,81 m/s², h de hoogte boven de grond in m.
Afleiding van EzZelf afleiden
Wz = Fz · svalt het voorwerp, dan zijn Fz en de verplaatsing gelijk gericht
Wz = (m·g) · hFz = m·g en de verticale verplaatsing is de hoogte h
Ez = m · g · hde zwaarte-energie is gelijk aan de arbeid die de zwaartekracht kan verrichten
!Pas op

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.

Even controleren

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?

↗Hoe hangt dit samen?

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.