עבודה, אנרגיה והספק
הוצג| English | משמעות |
|---|---|
| work done/wɜːk dʌn/ | עבודה |
| displacement/dɪˈspleɪsmənt/ | הזזה |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | שימור אנרגיה |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | יעילות |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | אנרגיה תרמית |
| power/ˈpaʊə/ | הספק |
החזקת תיק אינה מבצעת עבודה
- החזק תיק כבד בשתיקה והזרוע שלך מכאיבה — אך בפיזיקה אינך מבצע אפס עבודה.
- עבודה דורשת מהכוח להזיז גוף לאורך כיוונו.
- חוסר תנועה (או כוח הצמוד) אומר שאין עבודה שבוצעה.
עבודה שבוצעה על ידי כוח
- $W = F s \cos\theta$, כאשר $\theta$ הוא הזווית בין הכוח לבין ההזזה.
- רק החלק מהכוח בכיוון התנועה מבצע עבודה. יחידה: $\text{J} = \text{N}\cdot\text{m}$.
עבודה, אנרגיה והספק
PE + KE = קבוע
עבודה מעבירה אנרגיה; כשהיא נופלת, PE הופך ל-KG עם הסך הכל קבוע.
כוח בגודל $10\ \text{N}$ דוחף קופסה למרחק $3.0\ \text{m}$ בכיוון הכוח. כמה עבודה נעשית?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
הכוח הוא לאורך התנועה ($\theta = 0$), לכן $W = Fs = 10 \times 3.0 = 30\ \text{J}$.
חיובי, שלילי, אפס
- כוח בכיוון התנועה → עבודה חיובית (אנרגיה מוזרמת לגוף).
- כוח נגד התנועה → עבודה שלילית (למשל, חיכוך מוריד אנרגיה מהמערכת).
- כוח ב-זווית ישרה → אפס עבודה.
רק הרכיב F cos(theta) לאורך ההזזה מבצע עבודה
כוח הפועל מאונך לתנועה מבצע כמה עבודה?
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
$W = Fs\cos 90^{\circ} = 0$. כוח המגע הנורמלי על מכונית בדרך שטוחה אינו מבצע עבודה.
חיכוך על גוף מחליק מבצע עבודה שלילית.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
החיכוך מצביע מול התנועה ($\theta = 180^{\circ}$), לכן $W = -Fs$ — הוא הורס אנרגיה.
שימור אנרגיה
- אנרגיה לעולם אינה נוצרת או נהרסת — היא רק משתנה בצורה או עוברת בין גופים.
- במערכת סגורה האנרגיה הכוללת נשארת קבועה.
עבודה חיובית (כוח בכיוון התנועה) ועבודה שלילית (כוח נגד התנועה)
אנרגיה אינה נוצרת או נהרסת, אלא רק ____ ממצב אחד למצב אחר.
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
זהו שימור האנרגיה — הסך הכול במערכת סגורה נשאר זהה.
התאם כל מונח להגדרה שמסמן בוחן התשובה הנכונה.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
הביטוי האחרון בהגדרת העבודה הוא מה שמגדיר שכוח מאונך לתנועה אינו מבצע כלל עבודה.
יעילות
- $\text{efficiency} = \dfrac{\text{useful output}}{\text{total input}} \times 100\%$.
- היא תמיד מתחת ל-$100\%$ — חלק מהאנרגיה מסתיים כאנרגיה תרמית "חוסרת שימוש".
אותה עבודה שנעשית בזמן קצר יותר משמעותה הספק גדול יותר
זרימת אנרגיה ויעילות
האנרגיה הנכנסת מתחלקת לעבודה מועילה ואנרגיה מבוזבזת; יעילות = מועיל ÷ נכנס, ועוד מועיל + מבוזבז שווה תמיד לנכנס.
מכונה קולטת $200\ \text{J}$ ומפיקה $60\ \text{J}$ של אנרגיה מועילה. מה יעילותה (ב-%)?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
$\dfrac{60}{200} \times 100\% = 30\%$. שאר ה$140\ \text{J}$ הולך לבזבוז, בעיקר בחום.
הספק
- הספק הוא קצב ביצוע העבודה: $P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$.
- יחידה: $\text{W} = \dfrac{\text{J}}{\text{s}}$.
הספק, כוח ומהירות
- עבור כוח $F$ בכיוון התנועה במהירות $v$: $P = Fv$.
- רכב במהירות קבועה זקוק ל-$P = F_{\text{resist}} \times v$; הרמת משקל במהירות $v$ דורש $P = mgv$.
כוח $F$ פועל על גוף הנע במהירות $v$ בכיוון הכוח. הספק המסופק הוא:
Difficulty 1/5 · 100 coins + a small bonus on first completion today
בזמן $\Delta t$ ההזזה היא $v\Delta t$ והעבודה היא $Fv\Delta t$; חלוקה ב-$\Delta t$ נותנת $P = Fv$.
דוגמה פתורה: רכב במהירות קבועה
- רכב נוסע ב-$25\ \text{m/s}$ קבועה נגד כוח התנגדות כולל של $600\ \text{N}$. חשב את הספק היציאה המועיל של המנוע.
- במהירות קבועה, הכוח הרוכב הוא אפס, ולכן כוח המניעה שווה לכוח ההתנגדות: $F = 600\ \text{N}$.
- $P = Fv = 600 \times 25 = 1.5\times10^{4}\ \text{W} = 15\ \text{kW}$.
- השלב שמכיל את הנקודה מציין למה כוח המניעה שווה ל$600\ \text{N}$: מהירות קבועה משמעותה כוח רכב אפס.
- אם המכונית הייתה מאיצה, כוח המניעה היה גדול יותר מ$600\ \text{N}$ ולא הייתם יכולים להשתמש בכוח ההתנגדות ב$P = Fv$ כלל.
סימונים נופלים מהיד
- יעילות היא תוצאה שימושית חלקי התקנה כוללת. התקנה היא תמיד המספר הגדול יותר, ולכן תשובה מעל $100\%$ מציינת שהשניים הוחלפו.
- ב$P = Fv$, $F$ הוא הכוח המניע. הוא שווה לכוח ההתנגדות רק במהירות קבועה.
- השתמשו בגובה האנכי ב$mg\Delta h$, לעולם לא במרחק לאורך נתיב משופע.
- עבודה של כוח היא הכוח כפול המרחק שנע בכיוון הכוח. כוח ניצב לתנועה אינו מבצע אף עבודה.
- בגרף כוח-מתיחה, השטח הוא האנרגיה האגורה. השיפוע הוא הקשיחות, וקריאת אחד במקום השני היא אובדן שאלה שלמה.
רכב נוסע במהירות קבועה של 25 מ"ש נגד כוח התנגדות כולל של 600 N. מהו הספק היציאה המועיל, ב-kW?
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
מהירות קבועה פירושה אפס כוח תוצאתי, ולכן כוח הדחיפה הוא 600 N ו-P = Fv = 15 kW. ציון הסיבה לכך שכוח הדחיפה שווה להתנגדות הוא מה שמעניק את הציון.
באיזו מקרים כוח אינו מבצע עבודה? סמן את כל האפשרויות המתאימות.
Difficulty 2/5 · 140 coins + a small bonus on first completion today
בלמים מבצעים הרבה עבודה, אך עבודה שלילית. המקרה של המסלול הוא דוגמא מצוינת: כוח הכבידה תמיד מאונך לתנועה, ולכן מהירות הלוויין לעולם לא משתנה.
סדר חישוב ליעילות.
Difficulty 3/5 · 200 coins + a small bonus on first completion today
הכניסה היא תמיד המספר הגדול יותר. יעילות מעל 100% מעידה שהשניים הוחלפו, וחלוקה באנרגיה הפסודה היא דרך שגיאה נפוצה נוספת.
הבנתך מושלמת
- עבודה $W = Fs\cos\theta$ — רק החלק של $F$ לאורך התנועה נחשב
- אנרגיה שמורה; יעילות = שימושי ÷ כולל (תמיד < 100%)
- הספק $P = \dfrac{W}{t} = Fv$