Přeskočit na obsah

Kinetická energie: Porovnání verzí

Z Infopedia
Bez shrnutí editace
Bez shrnutí editace
 
Řádek 12: Řádek 12:
}}
}}


'''Pohybová energie''', odborně '''kinetická energie''' (z řeckého ''kinésis'' – pohyb), je druh [[mechanická energie|mechanické energie]], kterou má [[hmota|hmotný]] objekt (těleso) v důsledku svého [[pohyb (fyzika)|pohybu]]. [1] Je definována jako množství [[práce (fyzika)|práce]], které je potřeba vykonat, aby těleso o dané hmotnosti zrychlilo z klidu na určitou rychlost. [2] Její velikost je přímo úměrná [[hmotnost|hmotnosti]] tělesa a druhé mocnině jeho [[rychlost|rychlosti]]. Pokud je těleso v klidu, jeho pohybová energie je nulová.
'''Pohybová energie''', odborně '''kinetická energie''' (z řeckého ''kinésis'' – pohyb), je druh [[mechanická energie|mechanické energie]], kterou má [[hmota|hmotný]] objekt (těleso) v důsledku svého [[pohyb (fyzika)|pohybu]]. [1] Je definována jako množství [[práce (fyzika)|práce]], které je potřeba vykonat, aby těleso o dané hmotnosti zrychlilo z klidu na určitou rychlost. [2] Její velikost je přímo úměrná [[hmotnost|hmotnosti]] tělesa a druhé mocnině jeho [[rychlost|rychlosti]]. Pokud je těleso v klidu, je jeho pohybová energie nulová. Protože pohyb je vždy relativní, závisí hodnota kinetické energie na volbě [[vztažná soustava|vztažné soustavy]]. [3] Například cestující sedící ve vlaku má nulovou kinetickou energii vůči vlaku, ale vysokou kinetickou energii vůči zemi.


== 📜 Historie konceptu ==
== 📜 Historie konceptu ==
Koncept energie spojené s pohybem má kořeny v 17. a 18. století. Německý filozof a matematik [[Gottfried Wilhelm Leibniz]] mezi lety 1676 a 1689 jako první navrhl matematickou formulaci, kterou nazval '''vis viva''' (živá síla). [4, 5] Leibniz tvrdil, že tato veličina, definovaná jako <math>mv^2</math>, se v mnoha mechanických systémech zachovává. Jeho myšlenky stály v protikladu k teorii [[Isaac Newton|Isaaca Newtona]], který definoval [[hybnost]] (<math>mv</math>) jako hlavní míru pohybu. [4]
Pojem energie a její souvislost s pohybem se vyvíjely po několik staletí ve vědeckých debatách o "síle pohybu". Německý učenec [[Gottfried Wilhelm Leibniz]] v letech 1676–1689 navrhl koncept nazývaný ''vis viva'' (živá síla), který definoval jako součin [[hmotnost|hmotnosti]] tělesa a druhé mocniny jeho [[rychlost|rychlosti]] (<math>mv^2</math>). [4] Leibniz tvrdil, že tato "živá síla" se v mnoha mechanických systémech zachovává. Jeho myšlenka stála v protikladu k teorii [[Isaac Newton|Isaaca Newtona]], který definoval [[hybnost]] (<math>mv</math>) jako hlavní míru pohybu. [5]


Debatu pomohla vyřešit francouzská matematička a fyzička [[Émilie du Châtelet]]. Ve své knize ''Institutions de Physique'' (Učebnice fyziky), publikované v roce 1740, zkombinovala Newtonovu mechaniku s Leibnizovou metafyzikou. [6] Na základě experimentů nizozemského fyzika [[Willem 's Gravesande|Willema 's Gravesanda]] s koulemi padajícími do měkkého jílu prokázala, že energie musí být úměrná druhé mocnině rychlosti (<math>v^2</math>), nikoli rychlosti samotné, čímž potvrdila Leibnizův koncept. [7] Její práce byla klíčová pro pochopení a přijetí principu zachování energie.
Debatu zásadně posunula vpřed francouzská fyzička a matematička [[Émilie du Châtelet]]. Ve své knize ''Institutions de Physique'' (Základy fyziky) z roku 1740 na základě experimentů nizozemského fyzika [[Willem 's Gravesande|Willema 's Gravesanda]] s koulemi padajícími do měkkého jílu prokázala, že energie dopadajícího tělesa je skutečně úměrná druhé mocnině rychlosti, nikoli rychlosti samotné, čímž potvrdila Leibnizovu myšlenku. [6, 7] Její práce byla klíčová pro pochopení a přijetí principu zachování energie.


Moderní termín ''kinetická energie'' a jeho dnešní definice s faktorem <math>\frac{1}{2}</math> (<math>\frac{1}{2}mv^2</math>) byly zavedeny až v polovině 19. století, kdy na práci svých předchůdců navázali vědci jako [[Gaspard-Gustave de Coriolis]] a [[William Thomson, 1. baron Kelvin|William Thomson (lord Kelvin)]]. [8]
Moderní termín ''kinetická energie'' a jeho dnešní definice s faktorem <math>\frac{1}{2}</math> (<math>\frac{1}{2}mv^2</math>) byly zavedeny až v polovině 19. století, kdy na práci svých předchůdců navázali vědci jako [[Gaspard-Gustave de Coriolis]] a [[William Thomson, 1. baron Kelvin|William Thomson (lord Kelvin)]]. [8]


== ⚙️ Klasická mechanika a základní principy ==
== ⚙️ Klasická mechanika ==
Protože pohyb je vždy relativní, závisí hodnota kinetické energie na volbě [[vztažná soustava|vztažné soustavy]]. [9] Například cestující sedící ve vlaku má nulovou kinetickou energii vůči vlaku, ale vysokou kinetickou energii vůči zemi. Kinetická energie nemůže být nikdy záporná.
V rámci [[klasická mechanika|klasické (newtonovské) mechaniky]], která popisuje pohyb objektů při rychlostech mnohem menších, než je [[rychlost světla]], se pohybová energie (''E''<sub>k</sub>) vypočítá podle základního vzorce: [9]
 
=== Vzorec a definice ===
Pro těleso o hmotnosti ''m'', které se pohybuje rychlostí ''v'', se pohybová energie v [[klasická mechanika|klasické mechanice]] vypočítá podle vzorce: [10]


:'''<math>E_k = \frac{1}{2} m v^2</math>'''
:'''<math>E_k = \frac{1}{2} m v^2</math>'''


Kde:
Zatímco [[hmotnost]] ovlivňuje energii lineárně, '''[[rychlost]] ji ovlivňuje kvadraticky'''. To znamená, že zdvojnásobení rychlosti tělesa zvýší jeho pohybovou energii čtyřikrát, a ztrojnásobení rychlosti ji zvýší devětkrát. [10] To je důvod, proč mají vysoké rychlosti tak devastující následky například při automobilových nehodách.
* '''<math>E_k</math>''' je pohybová (kinetická) energie
* '''<math>m</math>''' je [[hmotnost]] tělesa
* '''<math>v</math>''' je [[rychlost]] tělesa


Z tohoto vztahu vyplývá, že pokud se například rychlost automobilu zdvojnásobí, jeho kinetická energie se zčtyřnásobí. [11] To je důvod, proč jsou následky nehod ve vysokých rychlostech tak devastující – množství energie, které se musí při nárazu pohltit, roste s druhou mocninou rychlosti.
=== Odvození vzorce ===
Vzorec pro kinetickou energii lze přímo odvodit z definice [[práce (fyzika)|práce]] a [[druhý Newtonův pohybový zákon|druhého Newtonova zákona]]. Práce ''W'' vykonaná konstantní silou ''F'' na tělese po dráze ''s'' je <math>W = F \cdot s</math>. Z druhého Newtonova zákona víme, že <math>F = m \cdot a</math>. Pro rovnoměrně zrychlený pohyb z klidu platí, že <math>v^2 = 2as</math>, z čehož plyne <math>s = v^2 / 2a</math>. Dosazením do rovnice pro práci dostaneme:
<math>W = (m \cdot a) \cdot (\frac{v^2}{2a}) = \frac{1}{2} m v^2</math>
Tato vykonaná práce je rovna kinetické energii, kterou těleso získá. [11]


=== Vztah k práci a Věta o kinetické energii ===
=== Věta o kinetické energii ===
Zásadní souvislost mezi prací a kinetickou energií popisuje '''věta o kinetické energii''' (také ''teorém práce a energie''). Ta říká, že celková práce vykonaná vnějšími silami na těleso se rovná změně jeho kinetické energie. [12, 13] Matematicky zapsáno:
Zásadní souvislost popisuje '''věta o kinetické energii''', která říká, že celková práce vykonaná vnějšími silami na těleso se rovná změně jeho kinetické energie: [12]


:'''<math>W_{celk} = \Delta E_k = E_{k2} - E_{k1} = \frac{1}{2} m v_2^2 - \frac{1}{2} m v_1^2</math>'''
:'''<math>W_{celk} = \Delta E_k = E_{k2} - E_{k1}</math>'''


* Pokud je celková práce '''kladná''' (např. [[motor]] auta), kinetická energie tělesa se zvyšuje a těleso zrychluje.
Pokud na těleso působíme silou ve směru jeho pohybu, konáme kladnou práci a jeho pohybová energie roste (zrychluje). Pokud působíme silou proti směru pohybu, konáme zápornou práci a energie klesá (zpomaluje). [13]
* Pokud je celková práce '''záporná''' (např. [[brzdná síla]]), kinetická energie se snižuje a těleso zpomaluje. [12]
* Pokud je celková práce '''nulová''' (např. u [[pohyb po kružnici|pohybu po kružnici]], kde je síla stále kolmá na směr pohybu), kinetická energie se nemění a rychlost tělesa je konstantní.
 
=== Přeměny energie ===
Kinetická energie je součástí celkové [[mechanická energie|mechanické energie]] tělesa, která je součtem kinetické a [[potenciální energie|potenciální energie]]. Podle [[zákon zachování energie|zákona o zachování energie]] se v izolované soustavě (bez vlivu vnějších sil jako tření) celková mechanická energie nemění, pouze se její formy přeměňují jedna v druhou. [14] V reálném světě se část mechanické energie vlivem tření a odporu vzduchu přeměňuje na [[tepelná energie|tepelnou energii]]. [15]


=== Jednotky ===
=== Jednotky ===
Základní jednotkou energie v [[Mezinárodní soustava jednotek|soustavě SI]] je '''[[joule]]''' (značka J). V atomové a jaderné fyzice se často používá '''[[elektronvolt]]''' (eV). V energetice se lze setkat s '''[[kilowatthodina|kilowatthodinou]]''' (kWh).
Základní [[jednotka SI|jednotkou]] energie je '''[[Joule]]''' (J). V atomové a jaderné fyzice se používá '''[[elektronvolt]]''' (eV) a v energetice '''[[kilowatthodina]]''' (kWh).


== 🌀 Formy a speciální případy ==
== 🌀 Speciální případy a formy ==


=== Rotační kinetická energie ===
=== Rotační kinetická energie ===
Pokud se těleso nejen posouvá, ale také otáčí (rotuje) kolem osy, má navíc '''rotační (otáčivou) kinetickou energii'''. [16] Její velikost závisí na tom, jak je hmota tělesa rozložena kolem osy otáčení ([[moment setrvačnosti]]) a jak rychle se otáčí ([[úhlová rychlost]]). [17]
Těleso, které se otáčí kolem osy, má navíc '''rotační kinetickou energii'''. [14] Její velikost závisí na [[moment setvačnosti|momentu setrvačnosti]] (<math>I</math>) a [[úhlová rychlost|úhlové rychlosti]] (<math>\omega</math>): [15]


:'''<math>E_{rot} = \frac{1}{2} I \omega^2</math>'''
:'''<math>E_{rot} = \frac{1}{2} I \omega^2</math>'''
 
Celková energie tělesa, které se posouvá i rotuje (např. kutálející se koule), je součtem posuvné a rotační energie. [16]
Těleso, které se zároveň posouvá a rotuje (např. kutálející se koule), má celkovou kinetickou energii rovnou součtu posuvné a rotační kinetické energie. [18]


=== Relativistická kinetická energie ===
=== Relativistická kinetická energie ===
Pro objekty pohybující se rychlostmi blížícími se [[rychlost světla|rychlosti světla]] (<math>c</math>), je nutné použít vztahy [[speciální teorie relativity]]. Relativistická kinetická energie je definována jako rozdíl mezi celkovou relativistickou energií tělesa a jeho [[klidová energie|klidovou energií]] (<math>E_0 = m_0 c^2</math>): [19, 20]
Pro rychlosti blížící se rychlosti světla (<math>c</math>) je nutné použít vztahy [[speciální teorie relativity]]. Relativistická kinetická energie je definována jako rozdíl mezi celkovou relativistickou energií a [[klidová energie|klidovou energií]] (<math>E_0 = m_0 c^2</math>): [17]


:'''<math>E_k = m_0 c^2 (\gamma - 1)</math>'''
:'''<math>E_k = m_0 c^2 (\gamma - 1)</math>''', kde '''<math>\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}</math>''' je [[Lorentzův faktor]].


Kde '''<math>\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - v^2/c^2}}</math>''' je [[Lorentzův faktor]]. Pro nízké rychlosti tento vzorec přechází v klasický tvar <math>\frac{1}{2} m_0 v^2</math>. [21]
Tento vztah ukazuje, že k dosažení rychlosti světla by bylo zapotřebí nekonečné množství energie. Pro nízké rychlosti vzorec přechází v klasický tvar <math>\frac{1}{2} m_0 v^2</math>. [18]


=== Tepelná a zvuková energie ===
=== Tepelná a zvuková energie ===
[[Tepelná energie]] látky je součtem mikroskopických pohybových energií všech jejích neuspořádaně se pohybujících [[atom|atomů]] a [[molekula|molekul]]. [22] [[Zvuk]] se šíří prostředím právě přenosem pohybové energie mezi částicemi. [23]
[[Tepelná energie]] látky je součtem mikroskopických pohybových energií jejích neuspořádaně se pohybujících [[atom|atomů]] a [[molekula|molekul]]. [19] [[Zvuk]] se šíří prostředím právě přenosem pohybové energie mezi částicemi. [20]


== 🌍 Praktické využití a příklady ==
== 🌍 Praktické využití a příklady ==
=== Příklady z běžného života ===
=== Příklady z běžného života ===
* '''Jedoucí automobil:''' Osobní automobil o hmotnosti 1 500 kg jedoucí rychlostí 50 km/h (cca 13,9 m/s) má kinetickou energii přibližně 145 kJ. Při rychlosti 100 km/h je to už čtyřikrát více, tedy asi 580 kJ. [24]
* '''Jedoucí automobil:''' Osobní automobil o hmotnosti 1 500 kg jedoucí rychlostí 50 km/h (cca 13,9 m/s) má kinetickou energii přibližně 145 000 J (145 kJ). Při rychlosti 100 km/h (cca 27,8 m/s) je to už čtyřikrát více, tedy asi 580 kJ. [21]
* '''Letící dopravní letadlo:''' [[Airbus A380]] o hmotnosti 500 tun letící rychlostí 900 km/h (250 m/s) má kinetickou energii přibližně 15,6 GJ. To odpovídá energii výbuchu asi 3,7 tuny [[TNT]]. [25]
* '''Letící dopravní letadlo:''' [[Airbus A380]] o hmotnosti 500 tun letící rychlostí 900 km/h (250 m/s) má obrovskou kinetickou energii přibližně 15,6 miliardy joulů (15,6 GJ). [22] To odpovídá energii výbuchu asi 3,7 tuny [[TNT]].


=== Technologické využití ===
=== Technologické využití ===
* '''[[Vodní elektrárna|Vodní]] a [[větrná elektrárna|větrné elektrárny]]:''' Využívají kinetickou energii proudící vody nebo vzduchu k roztáčení [[turbína|turbín]], které pomocí [[elektrický generátor|generátoru]] vyrábí [[elektrická energie|elektřinu]]. [26]
* '''[[Vodní elektrárna|Vodní]] a [[větrná elektrárna|větrné elektrárny]]:''' Využívají kinetickou energii proudící vody nebo vzduchu k roztáčení [[turbína|turbín]], které pomocí [[elektrický generátor|generátoru]] vyrábí [[elektrická energie|elektřinu]]. [23]
* '''[[Rekuperace kinetické energie|Rekuperace]]:''' [[Elektromobil]]y a [[hybridní automobil|hybridy]] při brzdění přeměňují část kinetické energie zpět na elektrickou a ukládají ji do [[akumulátor (energie)|baterie]]. [27]
* '''[[Rekuperace kinetické energie|Rekuperace]]:''' [[Elektromobil]]y a [[hybridní automobil|hybridy]] při brzdění přeměňují část kinetické energie zpět na elektrickou a ukládají ji do [[akumulátor (energie)|baterie]]. [24]
* '''[[Setrvačník]]:''' Mechanické zařízení, které uchovává rotační kinetickou energii a používá se ke stabilizaci otáček nebo jako krátkodobý zdroj energie. [28]
* '''[[Setrvačník]]:''' Mechanické zařízení, které uchovává rotační kinetickou energii a používá se ke stabilizaci otáček nebo jako krátkodobý zdroj energie, například v systémech [[UPS]] nebo ve vozech [[Formule 1]]. [25]
* '''Impaktní nástroje:''' [[Kladivo]] nebo [[beranidlo]] fungují na principu akumulace kinetické energie během nápřahu a jejího rychlého uvolnění při úderu.


== 🔬 Pro laiky ==
== 🔬 Pro laiky ==
Řádek 85: Řádek 76:
* '''Malý a pomalý vs. velký a rychlý:''' Když do vás narazí malé dítě na odrážedle, moc se nestane. Když vás ale srazí dospělý cyklista jedoucí z kopce, následky budou mnohem horší, protože má obrovskou zásobu kinetické energie.
* '''Malý a pomalý vs. velký a rychlý:''' Když do vás narazí malé dítě na odrážedle, moc se nestane. Když vás ale srazí dospělý cyklista jedoucí z kopce, následky budou mnohem horší, protože má obrovskou zásobu kinetické energie.
* '''Energie se neztrácí, jen mění:''' Když auto narazí do zdi, jeho pohybová energie se přemění na práci, která zdemoluje předek auta, a na velké množství tepla a zvuku.
* '''Energie se neztrácí, jen mění:''' Když auto narazí do zdi, jeho pohybová energie se přemění na práci, která zdemoluje předek auta, a na velké množství tepla a zvuku.
* '''Rychlost je zrádná:''' Nejdůležitější je pamatovat, že vliv rychlosti je mnohem větší než vliv hmotnosti. Když jedete v autě dvakrát rychleji, auto má čtyřikrát více kinetické energie. Proto je nebezpečné jezdit rychle – brzdná dráha se prodlužuje a následky nehody jsou tragičtější.
* '''Rychlost je zrádná:''' Nejdůležitější je si pamatovat, že vliv rychlosti je mnohem větší než vliv hmotnosti. Když jedete v autě dvakrát rychleji, auto má čtyřikrát více kinetické energie. Proto je tak nebezpečné jezdit rychle – brzdná dráha se prodlužuje a následky nehody jsou mnohem tragičtější.


== Zdroje ==
== Zdroje ==
# [https://www.britannica.com/science/kinetic-energy Kinetic energy - Britannica]
# [https://www.britannica.com/science/kinetic-energy Kinetic energy - Britannica]
# [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ke.html Kinetic Energy - HyperPhysics]
# [http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ke.html Kinetic Energy - HyperPhysics]
# [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Kinetic_energy Kinetic energy - Energy Education]
# [https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book%3A_University_Physics_(OpenStax)/07%3A_Work_and_Kinetic_Energy/7.02%3A_Kinetic_Energy 7.2: Kinetic Energy - Physics LibreTexts]
# [https://plato.stanford.edu/entries/leibniz-physics/ Gottfried Wilhelm Leibniz: Physics - Stanford Encyclopedia of Philosophy]
# [https://www.lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/gottfried-leibniz/ Gottfried Leibniz - Linda Hall Library]
# [https://www.lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/gottfried-leibniz/ Gottfried Leibniz - Linda Hall Library]
# [https://www.britannica.com/science/vis-viva vis viva - Britannica]
# [https://plato.stanford.edu/entries/emilie-du-chatelet/ Émilie du Châtelet - Stanford Encyclopedia of Philosophy]
# [https://plato.stanford.edu/entries/emilie-du-chatelet/ Émilie du Châtelet - Stanford Encyclopedia of Philosophy]
# [https://www.aps.org/publications/apsnews/200806/physicshistory.cfm June 1749: Emilie du Châtelet's Commentary on Newton's Principia - American Physical Society]
# [https://www.aps.org/publications/apsnews/200806/physicshistory.cfm June 1749: Emilie du Châtelet's Commentary on Newton's Principia - American Physical Society]
# [https://www.etymonline.com/word/kinetic kinetic - Online Etymology Dictionary]
# [https://www.etymonline.com/word/kinetic kinetic - Online Etymology Dictionary]
# [https://phys.libretexts.org/Bookshelves/University_Physics/Book%3A_University_Physics_(OpenStax)/07%3A_Work_and_Kinetic_Energy/7.02%3A_Kinetic_Energy 7.2: Kinetic Energy - Physics LibreTexts]
# [https://cs.wikipedia.org/wiki/Kinetick%C3%A1_energie Kinetická energie - Wikipedie]
# [https://cs.wikipedia.org/wiki/Kinetick%C3%A1_energie Kinetická energie - Wikipedie]
# [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Kinetic_energy Kinetic energy - Energy Education]
# [https://www.nhtsa.gov/press-releases/new-data-shows-speeding-traffic-fatalities-continue-increase-us roadways New Data Shows Speeding, Traffic Fatalities Continue to Increase on U.S. Roadways - NHTSA]
# [https://www.nhtsa.gov/press-releases/new-data-shows-speeding-traffic-fatalities-continue-increase-us roadways New Data Shows Speeding, Traffic Fatalities Continue to Increase on U.S. Roadways - NHTSA]
# [https://www.e-manuel.cz/fyzika/6-prace-vykon-energie/64-kineticka-energie-a-jeji-souvislost-s-praci.html Kinetická energie a její souvislost s prací - e-Manuel.cz]
# [https://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-2/The-Work-Energy-Theorem The Work-Energy Theorem - The Physics Classroom]
# [https://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-2/The-Work-Energy-Theorem The Work-Energy Theorem - The Physics Classroom]
# [https://www.unacademy.com/content/jee/study-material/physics/a-short-note-on-work-energy-theorem/ A Short Note on Work Energy Theorem - Unacademy]
# [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Law_of_conservation_of_energy Law of conservation of energy - Energy Education]
# [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Law_of_conservation_of_energy Law of conservation of energy - Energy Education]
# [https://www.e-manuel.cz/fyzika/6-prace-vykon-energie/64-kineticka-energie-a-jeji-souvislost-s-praci.html Kinetická energie a její souvislost s prací - e-Manuel.cz]
# [https://www.britannica.com/science/conservation-of-energy/Kinetic-energy-of-rotation Kinetic energy of rotation - Britannica]
# [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Rotational_kinetic_energy Rotational kinetic energy - Energy Education]
# [https://energyeducation.ca/encyclopedia/Rotational_kinetic_energy Rotational kinetic energy - Energy Education]
# [https://www.britannica.com/science/conservation-of-energy/Kinetic-energy-of-rotation Kinetic energy of rotation - Britannica]
# [https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/10-4-moment-of-inertia-and-rotational-kinetic-energy Moment of Inertia and Rotational Kinetic Energy - OpenStax]
# [https://openstax.org/books/university-physics-volume-1/pages/10-4-moment-of-inertia-and-rotational-kinetic-energy Moment of Inertia and Rotational Kinetic Energy - OpenStax]
# [https://www.einstein-online.info/en/spotlight/relativistic_energy/ Relativistic Energy - Einstein Online]
# [https://www.einstein-online.info/en/spotlight/relativistic_energy/ Relativistic Energy - Einstein Online]

Aktuální verze z 31. 10. 2025, 05:58

Rozbalit box

Obsah boxu

Šablona:Infobox Fyzikální veličina

Pohybová energie, odborně kinetická energie (z řeckého kinésis – pohyb), je druh mechanické energie, kterou má hmotný objekt (těleso) v důsledku svého pohybu. [1] Je definována jako množství práce, které je potřeba vykonat, aby těleso o dané hmotnosti zrychlilo z klidu na určitou rychlost. [2] Její velikost je přímo úměrná hmotnosti tělesa a druhé mocnině jeho rychlosti. Pokud je těleso v klidu, je jeho pohybová energie nulová. Protože pohyb je vždy relativní, závisí hodnota kinetické energie na volbě vztažné soustavy. [3] Například cestující sedící ve vlaku má nulovou kinetickou energii vůči vlaku, ale vysokou kinetickou energii vůči zemi.

📜 Historie konceptu

Pojem energie a její souvislost s pohybem se vyvíjely po několik staletí ve vědeckých debatách o "síle pohybu". Německý učenec Gottfried Wilhelm Leibniz v letech 1676–1689 navrhl koncept nazývaný vis viva (živá síla), který definoval jako součin hmotnosti tělesa a druhé mocniny jeho rychlosti (mv2). [4] Leibniz tvrdil, že tato "živá síla" se v mnoha mechanických systémech zachovává. Jeho myšlenka stála v protikladu k teorii Isaaca Newtona, který definoval hybnost (mv) jako hlavní míru pohybu. [5]

Debatu zásadně posunula vpřed francouzská fyzička a matematička Émilie du Châtelet. Ve své knize Institutions de Physique (Základy fyziky) z roku 1740 na základě experimentů nizozemského fyzika Willema 's Gravesanda s koulemi padajícími do měkkého jílu prokázala, že energie dopadajícího tělesa je skutečně úměrná druhé mocnině rychlosti, nikoli rychlosti samotné, čímž potvrdila Leibnizovu myšlenku. [6, 7] Její práce byla klíčová pro pochopení a přijetí principu zachování energie.

Moderní termín kinetická energie a jeho dnešní definice s faktorem 12 (12mv2) byly zavedeny až v polovině 19. století, kdy na práci svých předchůdců navázali vědci jako Gaspard-Gustave de Coriolis a William Thomson (lord Kelvin). [8]

⚙️ Klasická mechanika

V rámci klasické (newtonovské) mechaniky, která popisuje pohyb objektů při rychlostech mnohem menších, než je rychlost světla, se pohybová energie (Ek) vypočítá podle základního vzorce: [9]

Ek=12mv2

Zatímco hmotnost ovlivňuje energii lineárně, rychlost ji ovlivňuje kvadraticky. To znamená, že zdvojnásobení rychlosti tělesa zvýší jeho pohybovou energii čtyřikrát, a ztrojnásobení rychlosti ji zvýší devětkrát. [10] To je důvod, proč mají vysoké rychlosti tak devastující následky například při automobilových nehodách.

Odvození vzorce

Vzorec pro kinetickou energii lze přímo odvodit z definice práce a druhého Newtonova zákona. Práce W vykonaná konstantní silou F na tělese po dráze s je W=Fs. Z druhého Newtonova zákona víme, že F=ma. Pro rovnoměrně zrychlený pohyb z klidu platí, že v2=2as, z čehož plyne s=v2/2a. Dosazením do rovnice pro práci dostaneme: W=(ma)(v22a)=12mv2 Tato vykonaná práce je rovna kinetické energii, kterou těleso získá. [11]

Věta o kinetické energii

Zásadní souvislost popisuje věta o kinetické energii, která říká, že celková práce vykonaná vnějšími silami na těleso se rovná změně jeho kinetické energie: [12]

Wcelk=ΔEk=Ek2Ek1

Pokud na těleso působíme silou ve směru jeho pohybu, konáme kladnou práci a jeho pohybová energie roste (zrychluje). Pokud působíme silou proti směru pohybu, konáme zápornou práci a energie klesá (zpomaluje). [13]

Jednotky

Základní jednotkou energie je Joule (J). V atomové a jaderné fyzice se používá elektronvolt (eV) a v energetice kilowatthodina (kWh).

🌀 Speciální případy a formy

Rotační kinetická energie

Těleso, které se otáčí kolem osy, má navíc rotační kinetickou energii. [14] Její velikost závisí na momentu setrvačnosti (I) a úhlové rychlosti (ω): [15]

Erot=12Iω2

Celková energie tělesa, které se posouvá i rotuje (např. kutálející se koule), je součtem posuvné a rotační energie. [16]

Relativistická kinetická energie

Pro rychlosti blížící se rychlosti světla (c) je nutné použít vztahy speciální teorie relativity. Relativistická kinetická energie je definována jako rozdíl mezi celkovou relativistickou energií a klidovou energií (E0=m0c2): [17]

Ek=m0c2(γ1), kde γ=11v2/c2 je Lorentzův faktor.

Tento vztah ukazuje, že k dosažení rychlosti světla by bylo zapotřebí nekonečné množství energie. Pro nízké rychlosti vzorec přechází v klasický tvar 12m0v2. [18]

Tepelná a zvuková energie

Tepelná energie látky je součtem mikroskopických pohybových energií jejích neuspořádaně se pohybujících atomů a molekul. [19] Zvuk se šíří prostředím právě přenosem pohybové energie mezi částicemi. [20]

🌍 Praktické využití a příklady

Příklady z běžného života

  • Jedoucí automobil: Osobní automobil o hmotnosti 1 500 kg jedoucí rychlostí 50 km/h (cca 13,9 m/s) má kinetickou energii přibližně 145 000 J (145 kJ). Při rychlosti 100 km/h (cca 27,8 m/s) je to už čtyřikrát více, tedy asi 580 kJ. [21]
  • Letící dopravní letadlo: Airbus A380 o hmotnosti 500 tun letící rychlostí 900 km/h (250 m/s) má obrovskou kinetickou energii přibližně 15,6 miliardy joulů (15,6 GJ). [22] To odpovídá energii výbuchu asi 3,7 tuny TNT.

Technologické využití

  • Vodní a větrné elektrárny: Využívají kinetickou energii proudící vody nebo vzduchu k roztáčení turbín, které pomocí generátoru vyrábí elektřinu. [23]
  • Rekuperace: Elektromobily a hybridy při brzdění přeměňují část kinetické energie zpět na elektrickou a ukládají ji do baterie. [24]
  • Setrvačník: Mechanické zařízení, které uchovává rotační kinetickou energii a používá se ke stabilizaci otáček nebo jako krátkodobý zdroj energie, například v systémech UPS nebo ve vozech Formule 1. [25]
  • Impaktní nástroje: Kladivo nebo beranidlo fungují na principu akumulace kinetické energie během nápřahu a jejího rychlého uvolnění při úderu.

🔬 Pro laiky

Představte si kinetickou energii jako „schovanou sílu pohybu“. Každá věc, která se hýbe, v sobě nese určitou zásobu této energie. Čím je věc těžší a čím rychleji se pohybuje, tím je její zásoba větší.

  • Malý a pomalý vs. velký a rychlý: Když do vás narazí malé dítě na odrážedle, moc se nestane. Když vás ale srazí dospělý cyklista jedoucí z kopce, následky budou mnohem horší, protože má obrovskou zásobu kinetické energie.
  • Energie se neztrácí, jen mění: Když auto narazí do zdi, jeho pohybová energie se přemění na práci, která zdemoluje předek auta, a na velké množství tepla a zvuku.
  • Rychlost je zrádná: Nejdůležitější je si pamatovat, že vliv rychlosti je mnohem větší než vliv hmotnosti. Když jedete v autě dvakrát rychleji, auto má čtyřikrát více kinetické energie. Proto je tak nebezpečné jezdit rychle – brzdná dráha se prodlužuje a následky nehody jsou mnohem tragičtější.

Zdroje

  1. Kinetic energy - Britannica
  2. Kinetic Energy - HyperPhysics
  3. 7.2: Kinetic Energy - Physics LibreTexts
  4. Gottfried Wilhelm Leibniz: Physics - Stanford Encyclopedia of Philosophy
  5. Gottfried Leibniz - Linda Hall Library
  6. Émilie du Châtelet - Stanford Encyclopedia of Philosophy
  7. June 1749: Emilie du Châtelet's Commentary on Newton's Principia - American Physical Society
  8. kinetic - Online Etymology Dictionary
  9. Kinetická energie - Wikipedie
  10. Kinetic energy - Energy Education
  11. roadways New Data Shows Speeding, Traffic Fatalities Continue to Increase on U.S. Roadways - NHTSA
  12. Kinetická energie a její souvislost s prací - e-Manuel.cz
  13. The Work-Energy Theorem - The Physics Classroom
  14. Law of conservation of energy - Energy Education
  15. Kinetic energy of rotation - Britannica
  16. Rotational kinetic energy - Energy Education
  17. Moment of Inertia and Rotational Kinetic Energy - OpenStax
  18. Relativistic Energy - Einstein Online
  19. Relativistická kinetická energie - Fyzika.jreichl.com
  20. Relativistická a klasická kinetická energie - Řešené úlohy
  21. DOE Explains...Thermal Energy - U.S. Department of Energy
  22. Sound (physics) - Britannica
  23. Hybnost, energie - Bezpečné cesty
  24. Kalkulačka kinetické energie - Kalkulačka.org
  25. Jak funguje větrná elektrárna - E.ON
  26. Rekuperace brzdné energie - Autolexicon
  27. flywheel - Britannica