Kas ir mehāniskā enerģija?

Vispārējs fons

Mehāniskā enerģija sistēmā pastāv gan kā kinētiskā, gan kā potenciālā enerģija. Kinētiskā enerģija pastāv vienmēr, kad objekts ir kustībā. Potenciālā enerģija ir balstīta uz objekta stāvokli; tā ir uzkrāta enerģija un pati nevar veikt darbu. Tomēr to var pārvērst citos enerģijas veidos, tostarp kinētiskajā enerģijā. Piemēram, boulinga bumbiņai, kas piekārta 3,05 m virs zemes, nav kinētiskās enerģijas, jo tā nekustas. Tomēr tam ir liels daudzums potenciālās enerģijas (šajā gadījumā gravitācijas potenciālā enerģija), kas tiktu pārvērsta kinētiskā enerģijā, ja bumbai ļautu nokrist.

Vidusskolas fizikas stundas bieži sākas ar apmācību skolēniem par mehānisko sistēmu pamatprincipiem un to enerģiju. Tas ir tāpēc, ka tos parasti ir vieglāk vizualizēt un viegli vienkāršot. Pamata aprēķinus par šīm sistēmām var veikt, neizmantojot aprēķinus. Lielākajā daļā vienkāršu fizikas problēmu mehāniskā sistēma paliek slēgta un tiek ignorēti faktori, kas parasti no sistēmas izņem enerģiju, piemēram, berze un gaisa pretestība.

Kā aprēķināt mehānisko enerģiju

Kopējo mehānisko enerģiju var aprēķināt, vienkārši saskaitot sistēmas potenciālo un kinētisko enerģiju. Potenciālā enerģija (PE) ir objekta augstuma virs zemes (h), tā masas (m) un Zemes gravitācijas paātrinājuma (g, kas ir 9.8 m/s2) reizinājums.

PE = h × m × g

Objekta kinētiskā enerģija (KE) ir 1/2 tā masas un tā ātruma kvadrātā (v) reizinājums.

KE = 1/2mv2

Masu norāda kilogramos (kg), augstumu metros (m), ātrumu metros sekundē (m/s), un enerģiju norāda džoulos (j).

Piemēram, 5 kg (4,99 kg) smagas boulinga bumbiņas, kas atrodas 3 metrus (3,05 m) virs zemes, potenciālā enerģija ir 147 džouli (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j), neatkarīgi no tā, vai bumbiņa atrodas kustībā vai miera stāvoklī. Ja arī šī bumbiņa krīt ar ātrumu 2 m/s, tās kinētiskā enerģija ir 10 džouli (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).

Kad ir zināma potenciālā un kinētiskā enerģija, var atrast kopējo mehānisko enerģiju. Abi enerģijas veidi tiek vienkārši saskaitīti kopā.

Mehāniskā enerģija = PE + KE

Šajā piemērā boulinga bumbas kopējā mehāniskā enerģija ir 157 džouli (147 j + 10 j = 157 j).

Mehāniskā pret ķīmisko un kodolenerģiju

Ir daudz citu enerģijas veidu, un dažreiz var būt grūti pareizi atšķirt vienu no otra. Piemēram, ķīmiskā enerģija ir enerģija, kas tiek glabāta ķīmiskajās saitēs molekulās. Kodolenerģija ir enerģija, kas atrodas mijiedarbībā starp daļiņām atoma kodolā. Turpretim mehāniskā enerģija parasti ignorē objektu sastāvu un aplūko tikai attiecīgos objektus, neraizējoties par to molekulāro uzbūvi.

Šis fokuss ir paredzēts, lai vienkāršotu mehāniskās enerģijas un mehānisko sistēmu aprēķinus. Objektus šajās sistēmās parasti uzskata par atsevišķiem objektiem, nevis kā miljardu molekulu summu. Viena objekta kinētiskās un potenciālās enerģijas aprēķināšana ir vienkāršs uzdevums; būtu ārkārtīgi grūti aprēķināt šāda veida enerģiju miljardiem molekulu. Nevienkāršojot detaļas mehāniskajā sistēmā, zinātniekiem būtu jāpārbauda atsevišķi atomi un visa starp tiem esošā mijiedarbība un spēki. Tas parasti ir paredzēts daļiņu fizikai.

Pārvēršana starp enerģijas veidiem

Mehānisko enerģiju var pārvērst cita veida enerģijā, izmantojot īpašu aprīkojumu. Piemēram, ģeneratori ir paredzēti, lai veiktu mehānisku darbu un pārvērstu to elektrībā. Citus enerģijas veidus var pārveidot arī mehāniskajā enerģijā; piemēram, automašīnas iekšdedzes dzinējs pārvērš degvielā esošo ķīmisko enerģiju mehāniskajā enerģijā, ko izmanto, lai automašīna kustētos.