1. Energie, vermogen en arbeid

Samenvatting voor NaSk 1: Energie, vermogen en arbeid 

Wat is bewegingsenergie?

Als het goed is ken je de termen zwaarte-energie en bewegingsenergie ondertussen, maar we gaan ze nog even kort bespreken in het kader van veiligheid in het verkeer. De bewegingsenergie is de energie die een object bezit als het in beweging is. Dat is bijvoorbeeld dus de energie die een voertuig heeft als het rijdt. Als een voertuig met een bepaalde snelheid beweegt, dan zeggen we dus dat het bewegingsenergie bezit. Die hoeveelheid energie kunnen we berekenen door ½ keer de massa van het voertuig keer de snelheid van het voertuig in het kwadraat te doen. 

De bewegingsenergie van het voertuig hangt dus af van hoe zwaar het voertuig is, en het hangt sterk af van de snelheid van het voertuig, omdat de snelheid dus in het kwadraat gaat. Best logisch natuurlijk; je kunt je voorstellen dat het veel energie heeft gekost om een voertuig heel snel te laten gaan. Ook kun je je waarschijnlijk voorstellen dat het meer energie kost om een heel zwaar voertuig, zoals een vrachtwagen, snel te laten gaan. 

Wet van behoud van energie

Energie gaat nooit verloren, het verandert enkel van van vorm. Als we dus heel veel energie hebben gebruikt om een voertuig snelheid te laten maken, dan is dat nu omgezet in bewegingsenergie. Dit noemen we ook wel de wet van behoud van energie: de energie gaat niet verloren, maar wordt omgezet in een andere vorm van energie. 

Wat is zwaarte-energie?

Die bewegingsenergie kan dus ook weer omgezet worden in een andere vorm van energie, zoals zwaarte-energie. Als het voertuig met flinke snelheid namelijk een heuvel oprijdt, dan zal het voertuig veel snelheid en dus bewegingsenergie verliezen, en misschien wel tot stilstand komen bovenaan de heuvel. Maar, omdat het voertuig nu op een heuvel staat, heeft het zwaarte-energie. De bewegingsenergie is dus omgezet in zwaarte-energie. 

De zwaarte-energie zit nu opgeslagen in het voertuig, omdat het op een bepaalde hoogte staat. Aangezien het dus opgeslagen zit en niet per se meteen tot uiting komt, noemen we het ook wel potentiële energie. Het kan dus in potentie tot uiting komen. 

Zwaarte-energie berekenen

De zwaarte-energie berekenen we door de zwaartekracht op het object keer de hoogte te doen. Dus we krijgen Ez = Fz * h. Fz is de massa van het voertuig m keer de valversnelling g. De valversnelling g op aarde is afgerond 10 m/s². Voor de zwaarte-energie krijgen we dan dus Ez is massa m keer valversnelling g keer de hoogte h. Hoe zwaarder het voertuig en hoe hoger het voertuig staat, hoe groter de zwaarte-energie. Logisch natuurlijk: hoe zwaarder en hoe hoger, hoe meer energie het kost om het daar te krijgen. 

Goed, als we het voertuig nu van de heuvel afduwen, dan wordt de opgeslagen zwaarte-energie dus weer omgezet naar bewegingsenergie. Zo kan de bewegingsenergie, 0,5 * massa * snelheid in het kwadraat dus telkens omgezet worden naar zwaarte-energie: massa * valversnelling * hoogte, en andersom! 

Vermogen

Dan gaan we nu verder met vermogen. Je kent dit begrip misschien al van elektriciteit. Voor je examens moet je namelijk weten dat vermogen, aangegeven met een hoofdletter P, spanning keer stroomsterkte is. Maar, je moet ook weten dat vermogen P berekend kan worden met de formule E (energie) gedeeld door t (tijd). Vermogen is dus letterlijk hoeveel energie er in een bepaalde tijd geleverd wordt. 

Als een voertuig super veel energie E kan leveren per seconde, dan heeft het heel veel vermogen. Je kan je voorstellen dat dit een belangrijke grootheid is, want als ik zeg dat ik 10.000 joule aan energie lever, dan klinkt dat misschien veel, maar als ik daar 10 jaar over doe, dan is dat helemaal niet zo indrukwekkend. Vermogen is dus de hoeveel joule aan energie iets levert, per seconde. Joule per seconde noemen we ook wel Watt. Dus als een voertuig 100 Watt levert, dan levert het 100 joule per seconde. Het vermogen is dan dus 100 Watt.

Arbeid

Daarnaast hebben we ook nog iets dat we arbeid noemen. Dit woord ken je vast ook wel: als iemand zegt dat je arbeid moet leveren, dan moet je energie leveren om iets voor elkaar te krijgen. In de natuurkunde gebruiken we het woord arbeid om het verband tussen kracht en energie aan te geven. Arbeid, wat we aangeven met de hoofdletter W, wordt namelijk gewoon uitgedrukt in Joule, net zoals energie. Arbeid is dus eigenlijk gewoon energie, maar we noemen het arbeid W omdat het gaat om de energie die we moeten leveren om iets in beweging te krijgen. 

Arbeid berekenen: formule

De formule is dan ook: W (arbeid), is gelijk aan F (kracht) keer S (afstand). Kracht is natuurlijk in Newton en afstand s in meters. De arbeid is dus gelijk aan de kracht die we moeten leveren keer de afstand waarover we die kracht moeten leveren. Stel we moeten een steen, waarop een zwaartekracht van 100 Newton werkt, 2 meter optillen, dan moeten we dus arbeid leveren van 100 * 2 = 200 joule. Het is natuurlijk logisch dat hoe zwaarder de steen is, en hoe hoger we het moeten tillen, hoe meer arbeid, oftewel energie, we moeten leveren. Je kan arbeid leveren om iets omhoog te tillen, dan gebruik je de zwaartekracht voor F. Maar je kan natuurlijk ook een voertuig vooruit duwen of afremmen, dus dan gebruik je vaak de aandrijfkracht die geleverd wordt door de motor. De afstand s kan dus alle kanten op zijn!

Goed, hiermee zijn we aan het einde gekomen van deze video. Heel veel succes met het leren voor het NaSk 1 examen en/of andere toetsen en tot de volgende keer!