Arbeid is de energie die nodig is om iets te bewegen of te verplaatsen. Het is een vorm van energieoverdracht of -omzetting. Een kracht verricht alleen arbeid als er ook daadwerkelijk een verplaatsing plaatsvindt. Als je bijvoorbeeld een zware doos optilt, verricht je arbeid, omdat je kracht uitoefent en de doos beweegt. Houd je de doos stil, dan verricht je geen arbeid, ook al kost het je wel energie om hem vast te houden.
De algemene formule voor arbeid is:
W=F⋅s
Hierin is:
- W de arbeid in Joule (J).
- F de kracht in Newton (N).
- s de verplaatsing in meter (m).
Arbeid verricht door zwaartekracht (Wzw)
Wanneer we het specifiek hebben over arbeid verricht door de zwaartekracht, dan is de kracht (F) de zwaartekracht (Fz) en de afstand (s) is het hoogteverschil (Δh) waarover het voorwerp beweegt.
De formule voor arbeid verricht door de zwaartekracht wordt dan:
Wz=Fz⋅Δh
Hierin is:
- Wz de arbeid verricht door de zwaartekracht in Joule (J).
- Fz de zwaartekracht in Newton (N).
- Δh het hoogteverschil in meter (m).
De zwaartekracht (Fz) bereken je met de formule Fz=m⋅g, waarbij m de massa in kilogram (kg) is en g de valversnelling (ongeveer 9,81 m/s2 op aarde).
Voorbeeld:
Stel, je tilt een boek met een massa van 1,5 kg 2 meter omhoog.
- Bereken eerst de zwaartekracht op het boek:
Fz=m⋅g=1,5 kg⋅9,81 m/s2=14,715 N
- Bereken vervolgens de arbeid die de zwaartekracht verricht (in dit geval tegen de zwaartekracht in, dus de arbeid die jij verricht):
Wz=Fz⋅Δh=14,715 N⋅2 m=29,43 J
De zwaartekracht verricht hier een arbeid van -29,43 J (omdat de verplaatsing tegen de richting van de zwaartekracht in is). Als het boek 2 meter naar beneden valt, verricht de zwaartekracht een arbeid van +29,43 J.
Zwaarte-energie (Ezw)
Zwaarte-energie (ook wel hoogte-energie genoemd) is een vorm van potentiële energie die een voorwerp heeft vanwege zijn positie op een bepaalde hoogte in een zwaartekrachtveld. Het is dus een opgeslagen energievorm.
De formule hiervoor is:
Ez=m⋅g⋅h
Hierin is:
- Ez de zwaarte-energie in Joule (J).
- m de massa in kilogram (kg).
- g de valversnelling (ongeveer 9,81 m/s2 op aarde).
- h de hoogte in meter (m) ten opzichte van een gekozen referentiepunt (bijvoorbeeld de grond).
Het verschil tussen Wzw en Ezw in het kort:
- Wzw (Arbeid verricht door de zwaartekracht) beschrijft de energieoverdracht die plaatsvindt wanneer de zwaartekracht een voorwerp verplaatst. Het is een proces.
- Ezw (Zwaarte-energie) beschrijft de opgeslagen energie die een voorwerp bezit door zijn hoogte. Het is een toestand.
Je kunt het zo zien: om de zwaarte-energie (Ezw) van een voorwerp te verhogen (door het omhoog te tillen), moet jij arbeid (W) verrichten tegen de zwaartekracht in. Die geleverde arbeid wordt dan omgezet in de opgeslagen zwaarte-energie van het voorwerp. Als het voorwerp vervolgens naar beneden valt, verricht de zwaartekracht arbeid (Wzw), en wordt de opgeslagen zwaarte-energie omgezet in bijvoorbeeld bewegingsenergie.
Natuurkunde