4 Työ, teho ja hyötysuhde
Voima tekee työn Työ kertoo kappaleen mekaanisen energian muutoksen. Ulkoinen voima tehdessään työn muuttaa kappaleen mekaanista energiaa.
Mekaaninen energiaperiaate Kun kappaleeseen vaikuttavat voimat tunnetaan, niiden tekemät työt voidaan laskea. Tämän perusteella saadaan selville kappaleen energian lopputilanne, kun energia alussa tunnetaan. Kappaleen mekaaninen energia lopussa saadaan lisäämällä energiaan alussa kappaleeseen vaikuttavien voimien tekemä työ Eloppu = Ealku + W.
Esimerkki Jääkiekon massa on 0,160 kg. Kiekko lyödään liukumaan jäätä pitkin alkunopeudella 25 m/s. Kiekkoon vaikuttava kitkavoima on 8 % kappaleen painosta. Kuinka suuri on kiekon nopeus 50 m:n päässä?
Tehtävä ratkaistaan energiaperiaatteen mukaan: Kiekon energia lopussa saadaan lisäämällä kiekon alkutilan energiaan kiekkoon vaikuttavien voimien tekemät työt Eloppu = Ealku + W.
Kiekko liikkuu tasaisella alustalla, joten painovoima ei tee työtä. Kitkavoiman on F = 0,08mg, mistä saadaan kitkavoiman tekemäksi työksi W = - F s = -0,08mgs. Energiaperiaatteen mukaan saadaan
Teho Voiman teho on sitä suurempi, mitä lyhyemmässä ajassa voima tekee saman työn. Teho on Tehon yksikkö on 𝑃 = 𝑊 𝑡 =1 𝐽 𝑠 =1𝑊.
Hyötysuhde Kaikissa vuorovaikutustilanteissa osa energiasta muuttuu lämmöksi esimerkiksi kitkavoiman vaikutuksesta. Tällöin osa koneen ottamasta energiasta on ns. hukkaenergiaa. Hyötysuhde kuvaa koneen hyödyntämän energian suhdetta sen käyttämään energiaan.
𝜂= 𝐸 ℎ𝑦ö𝑡𝑦 𝐸 𝑜𝑡𝑡𝑜 = 𝑃 ℎ𝑦ö𝑡𝑦 𝑃 𝑜𝑡𝑡𝑜 𝜂= 𝐸 ℎ𝑦ö𝑡𝑦 𝐸 𝑜𝑡𝑡𝑜 = 𝑃 ℎ𝑦ö𝑡𝑦 𝑃 𝑜𝑡𝑡𝑜 . Hyötysuhde on aina pienempi kuin yksi.
Hyötysuhteita