Jõud, töö ja energia

Jõud on füüsikaline suurus, mis näitab ühe keha mõju teisele kehale. Jõud võib põhjustada liikumist, aga ka liikuva keha seismajäämist või hoopis pöörlemist. Jõud mõjub mingis kindlas suunas. See, kas ja mis suunas keha jõu mõjul liikuma hakkab, sõltub ka teistest jõududest, mis sellele kehale mõjuvad. Kaks või rohkem jõudu saavad ka üksteist tasakaalustada, nii et näiliselt kehale ei mõjugi mingeid jõudusid - keha paigalseis või liikumine ei muutu nende jõudude mõjumisel. Jõud saab mõjuda pidevalt, aga saab mõjuda ka ühe hetke. Pidevalt mõjub meile kõigile gravitatsioonijõud, hetkelist jõu mõju tunneme, kui meid keegi näiteks müksab.

Kõik jõud saab jaotada kahte rühma: jõud, millega kehad mõjutavad üksteist kontaktis olles ja jõud, mis mõjuvad vahemaa tagant. Kehad omavahelises kontaktis saavad mõjutada üksteist jõududega kehade kokkupuutumisel või kokkupõrkel. Gravitatsioonijõu mõjumiseks ei ole meil vaja kontakti maapinnaga või teiste kehadega, sest gravitatsiooniline tõmbejõud mõjub ka suure vahemaa tagant. Ka magnetite vahel mõjuvad vahemaa tagant sarnase iseloomuga tõmbe- ja tõukejõud, kuid mitte nii suurtel vahekaugustel, nagu gravitatsioonilised jõud.

Jõud on alati suunatud kuhugi - see on vektorsuurus. Füüsikalises mõttes jõud on jõud - pole vahet, kas see jõud mõjub kehale teise keha poolt otsekontaktis või vahemaa tagant. Kui samale kehale mõjuvad erinevad jõud, siis need jõud liituvad. Joonistel kujutatakse jõudu suunatud noolena, mille pikkus näitab jõu suurust. Jõu vektoreid saab geomeetriliselt liita ja leida suunda, kuhu keha kõigi nende jõudude mõjul liigub.

Newtoni seadused

Selleks, et füüsikas kehadele mõjuvate jõudude mõju uurida, on vaja lähtuda kolmest Newtoni seadusest.

  • Newtoni esimene seadus ehk inertsiseadus väidab, et keha liigub ühtlaselt sirgjooneliselt või seisab paigal, kui talle ei mõju jõud, või kui mõjuvad jõud üksteist kompenseerivad (st jõudude resultantjõud võrdub nulliga). See tähendab, et seni, kuni kehale ei mõju ükski jõud või kui jõudude resultantmõju on null, säilitab see keha oma senise liikumise või paigaloleku. Kui raamat paikneb liikumatult laual, siis sellele raamatule mõjub raskusjõud ja laua poolt avaldatav toejõud - mõlemad jõud on võrdsed ja vastassuunalised ning selle tulemusena raamat püsib paigal. Reaalelulistes tingimustes pole aga võimalik tajuda olukorda, kus mingi keha liiguks jõudude puudumisel igavesti ühtlaselt ja sirgjooneliselt - kahjuks mõjuvad kõigile kehadele hõõrdejõud, õhutakistus ja gravitatsioonijõud, mis ei võimalda ühelgi kehal säilitada kaua ühtlast kiirust ja sirgjoonelist liikumist. Kosmoses on see aga võimalik. Kui me saaksime ka gravitatsioonijõu ja hõõrdejõu nullilähedaseks muuta, siis saaksime jälgida Newtoni esimese seaduse ideaalset olukorda ka liikuva keha puhul.
  • Newtoni teine seadus väidab, et keha kiirendus on võrdeline talle mõjuva jõuga ning pöördvõrdeline keha massiga: F=m·a. Kui kehale mõjub jõud, siis see keha hakkab liikuma, jääb seisma või muudab oma liikumissuunda. Kui suur aga selle jõu mõju on? Newtoni teine seadus ütleb, et mida suurem on keha mass, seda suuremat jõudu tuleb rakendada, et selle keha liikumise kiirust muuta nii, et see keha hakkaks liikuma teatud kiirendusega (kiirenevalt või aeglustuvalt). Selleks, et panna pall veerema, on inimesel kätes piisavalt jõudu. Kuid näiteks seisva auto liigutamiseks ei piisa ühe inimese kätejõust.
  • Newtoni kolmas seadus väidab, et kaks keha mõjutavad teineteist jõududega, mis on suuruselt võrdsed ja suunalt vastupidised. See tähendab, et iga jõud tekitab vastasmõju. Kui kaks piljardikuuli omavahel põrkuvad, siis kokkupuutehetkel mõjutavad mõlemad üksteist samasuurte ja vastassuunaliste jõududega: üks piljardikuul hakkab selle jõu mõjul kiirenevalt liikuma, teisele piljardikuulile avaldub aga selle jõuga võrdne pidurdav jõud, mis mõjub täpselt vastassuunas. Kui mingi ese asetada lauale vms alusele või riputada lakke üles, siis mõjub raskusjõuga vastupidises suunas sama suur jõud, mis hoiab seda eset paigal. Seega Newtoni kolmas seadus kehtib nii liikuvate kui ka liikumatute kehade puhul.

Vaata Newtoni seadusi videona:

https://youtu.be/NYVMlmL0BPQ

Töö ja energia

Töö mõiste võeti füüsikas esmakordselt kasutusele 1826. aastal prantsuse matemaatiku G-.G. Coriolise poolt, kui "raskuse tõstmine teatud kõrguse võrra". Mehaanilist tööd tehakse siis, kui keha liigub mingi jõu mõjul teatud kaugusele esialgsest asukohast. Siis saab öelda, et kehale mõjuv jõud tegi tööd. Tehtud töö hulka väljendatakse jõu suuruse ja keha nihke korrutisena: A=F·s. Töö mõõtühik on džaul (inglise teadlase James Joule'i auks).

Energia mõõtühik on samuti džaul. Mille poolest erineb energia tööst? Füüsikas on energia keha omadus, mida saab edasi anda teistele kehadele või muuta teisteks energialiikideks. Üks väga levinud definitsioon on ka, et energia on keha võime teha tööd. Töö on aga üks võimalik energia ülekande vorm, kus ühelt kehalt kantakse energiat üle teisele kehale. Energia jäävuse seadus on olulisemaid jäävusseaduseid füüsikas: suletud süsteemi energia on ajas muutumatu suurus. Sellest seadusest järeldub, et energia ei teki ega kao, ta võib vaid muunduda ühest liigist teise ning kanduda ühelt kehalt teisele. Selles õppematerjalis on põhiliselt vaatluse all mehaaniline energia koos oma alaliikidega - kineetilise ja potentsiaalse energiaga. Kuid mehaaniline energia saab muunduda ka soojusenergiaks (nt hõõrdumisel).

Allikad ja lisalugemist: