Arbeid

Hva er det egentlig som skjer når du tråkker i gang sykkelen, når du sender opp en luftrakett, eller når en motor akselererer en bil? Både sykkelen, raketten og bilmotoren får tilført energi ved hjelp av en kraft. Kraften omdanner energi fra en form til en annen – eller overfører energi til gjenstandene. Dette er det vi i naturfag kaller arbeid.

Krefter gjør et arbeid Det arbeidet som kraften utfører, er lik energien som blir overført eller omdannet. Arbeid har også enheten joule (J), siden arbeid er energi. Når du tråkker i gang sykkelen, overfører du energi fra musklene dine til deg og sykkelen, og begge får bevegelsesenergi. Arbeidet du har utført, er lik bevegelsesenergien. Vi kan regne ut dette arbeidet når vi vet hvor langt kraften har flyttet deg. Vi bruker denne formelen: arbeid = kraft ⋅ strekning W = F ⋅ s Eksempel På sykkelturen vi så på i et tidligere eksempel, brukte du en kraft på 78 N da du akselererte. La oss si at du brukte 60 m på å akselerere til ønsket fart. Hvor stort var da arbeidet du utførte?Vurderingseksemplar W = F ⋅ s = 78 N ⋅ 60 m = 4680 J

Arbeidet var altså 4680 J.

Vi kan sjekke om dette stemmer med bevegelsesenergien du fikk. Massen var 65 kg, og farten etter akselerasjonen var 12 m/s. Vi bruker formelen for bevegelsesenergi:

Ek 1 2 mv 2 1 2 65kg 12 m

s

2

4680 J

Arbeidet du gjør, svarer altså til bevegelsesenergien du får.

Det er også en sammenheng mellom arbeidet tyngdekraften gjør, og stillingsenergien. Dersom du løfter en kasse rett opp med konstant fart, er kraften du løfter med, lik tyngdekraften. Kassa du løfter, får også stillingsenergi, og denne stillingsenergien er like stor som arbeidet du utfører. Vi ser på et lite regneeksempel:

Eksempel Du løfter en kasse på 5 kg 2 m opp på en plattform. Kraften du bruker, er lik tyngdekraften som virker på kassa, altså

A

Bevegelsesretning

F = G = m ⋅ g = 5 kg ⋅ 9,8 m/s2 ≈ 49 N Og fordi du løfter den en strekning på 2 m, gjør du et arbeid som er W = F ⋅ s = 49 N ⋅ 2 m = 98 J Stillingsenergien kassa får, er

Ep = mgh = 5 kg ⋅ 9,8 m/s2 ⋅ 2 m = 98 J

Arbeidet du gjør, svarer altså til stillingsenergien kassa får. Når gjør en kraft et arbeid? Det er ikke all bruk av krefter vi kan kalle et arbeid, og det er forskjell på om arbeidet tilfører energi, eller om det fjerner energi. Det handler om retningen på kraften og strekningen. Når du tråkker i gang sykkelen og får bevegelsesenergi, virker kraften i samme retning som bevegelsen. Da får sykkelen energi. Men dersom kraften og bevegelsen har motsatt retning, blir energien mindre – som når du bremser ned og får mindre bevegelses energi. I noen tilfeller står kraften vinkelrett på bevegelsesretningen – for eksempel når du løfter sykkelen og bærer den bortover. Kraften fra deg virker rett opp på sykkelen, men bevegelsen er rett fram. Da gjør du ikke et arbeid på sykkelen i det hele tatt.

C

Kraft Kraft B Vurderingseksemplar

Bevegelsesretning

Bevegelsesretning

Kraft

Når kraften virker i samme retning som bevegelsen, får gjen standen mer energi, mens når kraften virker mot bevegelsen, mister gjenstanden energi. Dersom kraften virker vinkelrett på bevegelsen, endres ikke energien fordi kraften ikke gjør et arbeid.

Arbeid i hverdagen

Hvorfor lager vi trapper og rullestolramper for å komme oss opp en avsats? Hvorfor bruker vi hjelm på sykkel og sparkesykkel og i slalåmbakken? Det er nyttig å vite sammenhengen mellom arbeid, kraft og strekning når vi vil lage teknologi og hjelpemidler i hverdagen. Vi skal se på noen enkle teknologier som utnytter dette.

Skråplanet Skal du få en kasse opp på en avsats, så krever det like mye energi uansett om du løfter den rett opp eller skyver den opp langs et skråplan. Kassa får like mye stillingsenergi uansett. Det kan vi se ut fra formelen for stillingsenergi, E p = mgh. Høyden kassa skal opp, forandrer seg ikke om du løfter den rett opp, eller om du skyver den.

30 kg 30 kg Vurderingseksemplar

Du må likevel bruke en mye større kraft for å løfte kassa rett opp enn for å skyve den opp skråplanet, fordi du løfter den en kortere avstand enn du skyver den. Det kan vi se ut fra formelen for arbeid, W = F ⋅ s. Om du løfter rett opp, blir strekningen du løfter, lik høyden du løfter. Men om du skyver kassa opp et skråplan, blir strekningen lengre. Det betyr at du ikke trenger å bruke like mye kraft for å få gjort det samme arbeidet og tilføre den samme stillingsenergien. Det er altså lettere å skyve kassa opp et skråplan enn å løfte den rett opp den samme høyden.

Skråplanet er altså en teknologisk innretning som gjør det lettere å utføre et arbeid, ved at vi gjør strekningen lengre. Det er dermed lettere å gå opp en trapp enn å måtte hoppe eller klatre opp på en avsats med samme høyde som trappa. Mange innretninger fungerer som et skråplan, for eksempel skruer, dørkiler, trapper og sklier.

Regn ut – skråplan Du skal løfte en kasse som veier 5 kg, opp på et 1,2 m høyt bord.

1 Bruk formelen for stillingsenergi til å finne ut hvor mye stillingsenergi kassa får, og dermed hvor stort arbeid du må gjøre. 2 Hvor stor er kraften du må bruke for å løfte kassa rett opp? Hint: Bruk enten formelen for arbeid eller formelen for tyngdekraften. 3 Hvor stor kraft må du bruke dersom du i stedet setter opp et skråplan som er 3 m langt, og skyver kassa opp? Trafikksikkerhet Mange innretninger for trafikksikkerhet fungerer litt på samme måte som skråplanet. De gjør strekningen lenger for å gjøre kraften mindre. Dersom du skulle kollidere med en sparkesykkel, er det for eksempel smart å ha på seg hjelm. Når det skjer en bråstopp, virker det krefter som gjør at all bevegelsesenergien blir omdannet til andre energiformer. Faller du med hodet først mot bakken, er det bakken som utøver en kraft på hodet ditt, og som gjør et arbeid. Om du ikke har på deg hjelm, virker denne kraften rett på hodet ditt. Har du på deg hjelm, vil polstringen i hjelmen gjøre slik at kraften Vurderingseksemplar virker over en litt større strekning. Da blir ikke kraften like stor rett på hodet, selv om den må gjøre like stort arbeid for å stoppe deg. I tillegg virker hjelmen støtdempende, ved at den fordeler kraften utover et større område. Bilbeltet skal i utgangspunktet stoppe deg, så du ikke blir kastet framover i bilen når den bråstopper. Grunnen til at det er litt slakk i bilbeltet, er at du ikke skal stoppe for raskt: Hvis du bruker litt lengre tid på å stoppe, blir kraften som virker på deg fra bilbeltet, mindre, og skaden mindre. De fleste biler er dessuten laget slik at om de frontkolliderer, så deformeres metallet i fronten. Det gjør at bilen ikke bråstopper når den kolliderer, men beveger seg en kort strekning mens fronten blir trykt sammen. Da blir kraften som virker på bilen, mindre, og skaden på passasjerene begrenses.

Termisk energi er energien knyttet til temperatur og kommer av at partiklene i et stoff beveger seg.

Friksjon og arbeid

Når du bråbremser med sykkel, så stopper den fordi det er friksjon mellom sykkeldekkene og bakken. Friksjonskraften gjør et arbeid mot bevegelsesretningen, som fører til at sykkelen stopper. Men hva skjer med bevegelsesenergien du og sykkelen har? Den blir omdannet til andre energiformer – i hovedsak termisk energi. Hvis du tar på sykkeldekkene etter at du har bremset, vil du kjenne at de har fått litt høyere temperatur. Den termiske energien går til omgivelsene i form av varme.

Friksjon Økt termisk energi Kraften fra personen Tenk etter ... Hvilke andre energiformer enn termisk energi kan friksjonsarbeidet ende opp som? Tenk på når du bråbremser sykkelen – hva observerer du? I veldig mange tilfeller ønsker vi så lite friksjon som mulig, nettopp for å unngå et energitap. Tenk for eksempel på hvordan biler og fly er utformet, eller hvordan en svømmer beveger seg i vannet. I andre sammenhenger er det viktig med friksjon – for eksempel for at hjulene skal trekke en bil eller sykkel framover, for at du skal bevege deg framover når du går, eller for at du skal kunne sveipe på mobilskjermen din. Friksjon øker den termiske energien i gjenstander når overflater glir mot hverandre.Vurderingseksemplar Friksjonskrefter gjør altså et arbeid mot bevegelsen og oppstår ofte samtidig som en annen kraft også gjør et arbeid. Når vi for eksempel skyver en kasse opp et skråplan, når en bil kolliderer, når du sykler eller løper, så er det alltid også en form for friksjon som virker mot bevegelsen. Hvis vi skal opprettholde bevegelsen, må vi derfor bruke mer krefter og gjøre et større arbeid enn om det ikke var friksjon. Dette kan vi ikke komme unna – noe energi blir alltid omdannet til unyttig energi når krefter utfører et arbeid. Friksjonskrefter er grunnen til at noe som er satt i bevegelse, ikke fortsetter å bevege seg i det uendelige. Men vi kan forsøke å lage maskiner og apparater med så lite friksjon som mulig, for at mesteparten av arbeidet skal bli til nyttig energi av høy kvalitet.

Varme Når krefter omdanner eller overfører energi, vil altså alltid noe av energien gå over til termisk energi på grunn av friksjon. Denne energien blir overført til omgivelsene som varme. Men varme kan også oppstå på andre måter og er en utrolig viktig form for energioverføring. For eksempel vil alt som har en viss temperatur, også avgi Vurderingseksemplar varme. Både sola og jorda sender ut varmestråling. Dette skal du få lære mer om senere. Hva leste du nå? 1 Hva mener vi med arbeid? 2 Hva er sammenhengen mellom arbeid og bevegelsesenergi? 3 Hva er sammenhengen mellom arbeid og stillingsenergi? 4 I hvilken retning må kraften virke for at den skal utføre et arbeid? 5 Hva krever minst kraft – å skyve en kasse opp en rampe eller å løfte den til samme høyde? 6 Hvordan virker en hjelm? 7 Hva skjer når friksjonskrefter gjør et arbeid?