Definition af mekanisk energi

Det Energi Mekanisk er blot en af ​​de mange former for energi, der findes. En genstand, der kastes opad med en bestemt hastighed for derefter at falde med næsten samme begyndelseshastighed, et pendul, der svinger fra side til side, når næsten samme højde, en fjeder, der trækker sig sammen og vender tilbage til sin oprindelige form, disse er alle klare eksempler på mekanisk energi i aktion og dens bevarelse. Men før vi taler om dette, er det vigtigt at tale lidt om Kinetisk energi Y potentiel energi.

Kinetisk energi

Kinetisk energi er en type energi, der er forbundet med tilstanden af bevægelse af en genstand, det vil sige med dens hastighed. Jo større hastighed en krop bevæger sig med, jo større er dens kinetiske energi. Når et objekt er i hvile, er dets kinetiske energi nul. I klassisk mekanik er den kinetiske energi \(K\) af et legeme med masse \(m\), der bevæger sig med en hastighed \(v\) givet ved:

\(K=\frac{1}{2}m{{v}^{2}}\)

Lad os forestille os, at vi har en sten i hånden, og vi skubber den opad, først vil stenen have vis hastighed som følge af vores skub, det vil sige, den vil have en vis mængde energi kinetik. Efterhånden som klippen stiger op, vil den bremse, og derfor vil dens kinetiske energi blive mindre og mindre. Du har måske hørt, at "energi ikke kan skabes eller ødelægges, den bliver kun omdannet", så i dette eksempel på klippen, hvor er dens kinetiske energi blevet af? For at besvare dette spørgsmål er det nødvendigt at tale om potentiel energi.

Potentiel energi

Generelt er potentiel energi en type energi, der kan forbindes med konfigurationen eller arrangementet af et system af forskellige objekter, der udøver kræfter på hinanden. Vender vi tilbage til det foregående eksempel, har klippen en vis potentiel energi afhængig af dens position i forhold til et punkt reference, hvilket godt kunne være vores hånd, fordi det er under indflydelse af tyngdekraftens tiltrækning Jord. I dette tilfælde vil værdien af ​​den potentielle energi blive givet ved:

\(U=mgh\)

Hvor \(U\) er tyngdekraftens potentielle energi, \(m\) er klippens masse, \(g\) er accelerationen Jordens tyngdekraft og \(h\) er den højde, hvor klippen er i forhold til vores hånd.

Når vi kaster klippen op, vil dens kinetiske energi blive omdannet til energi potentiale, der når en maksimal værdi, når klippen når en vis højde og bremses af komplet. Som du kan se, er der to måder at se dette eksempel på:

1) Når vi kaster stenen opad, bremses den pga styrke tyngdekraften, som jorden udøver.

2) Når vi kaster klippen opad, sænker den farten, fordi dens kinetiske energi omdannes til potentiel energi.

Dette her er af stor betydning, fordi udvikling af det samme system kan ses i form af kræfter, der virker eller i form af energi.

konservative kræfter

I det foregående eksempel blev det nævnt, at der er en potentiel energi forbundet med tyngdekraften, men er dette gyldigt for nogen kraft? Svaret på dette spørgsmål er nej, og dette er kun gyldigt for en type kraft kaldet "Konservative kræfter", nogle eksempler på disse ville være tyngdekraften, den elastiske kraft, kraften elektrisk osv.
Et kendetegn ved konservative kræfter er, at det mekaniske arbejde, de udfører på en krop for at flytte den fra et punkt til et andet, er uafhængig af den vej, den følger. nævnte krop fra startpunktet til slutningen, dette er det samme som at sige, at det mekaniske arbejde udført af en konservativ kraft i en lukket bane er lig med nul.

For at visualisere dette, lad os gå tilbage til vores tidligere eksempel, når vi kaster stenen op, vil tyngdekraften begynde at gøre en negativt mekanisk arbejde (modsat bevægelse) på det, hvilket får det til at miste kinetisk energi og få energi potentiel. Når klippen når sin maksimale højde vil den stoppe og begynde at falde, nu vil tyngdekraften gøre et job positiv mekanisk på klippen, som vil vise sig i et tab af potentiel energi og en gevinst af energi kinetik. Klippens sti slutter, når den når vores hånd igen med den samme kinetiske energi, som den tog fart (i fravær af modstanden fra luft).

I dette eksempel nåede klippen det samme punkt, hvorfra den startede, så vi kan sige, at den lavede en lukket sti. Når klippen var på vej op, gjorde tyngdekraften negativt mekanisk arbejde, og når klippen faldt, gjorde tyngdekraften positivt mekanisk arbejde. af samme størrelsesorden som den foregående, var derfor det samlede arbejde udført af tyngdekraften langs hele klippens bane lig med nul. De kræfter, der ikke overholder dette, kaldes "Non-Conservative Forces", og nogle eksempler på disse er friktion og friktion.

En anden ting, vi kan se i eksemplet ovenfor, er forholdet mellem kinetisk energi, potentiel energi og mekanisk arbejde. Det kan vi godt sige:

\(\tekst{}\!\!\Delta\!\!\text{}K=W\)

\(\tekst{}\!\!\Delta\!\!\text{}U=-W\)

Hvor \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) er ændringen i kinetisk energi, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) er ændringen i potentiel energi og \(W\) er det mekaniske arbejde.

Bevarelse af mekanisk energi

Som nævnt i begyndelsen er den mekaniske energi i et system summen af ​​dets potentielle energi og dets kinetiske energi. Lad \(M\) være den mekaniske energi, vi har:

\(M=K+U\)

Den mekaniske energi i et lukket system, hvor kun konservative kræfter (ikke friktion eller friktion) interagerer, er en størrelse, der bevares, efterhånden som systemet udvikler sig. For at se dette, lad os huske på, at vi tidligere nævnte, at \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) og \(\text{ }\!\! \Delta\!\ !\text{ }U=-W\), kan vi så sige, at:

\(\tekst{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=-\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{}U\)

Antag, at vores system i et punkt \(A\) har en kinetisk energi \({{K}_{A}}\) og en potentiel energi \({{U}_{A}}\), efterfølgende udvikler vores system sig til et punkt \(B\), hvor det har en kinetisk energi \({{K}_{B}}\) og en potentiel energi \({{U}_{B}}\). Ifølge ovenstående ligning, så:

\({{K}_{B}}-{{K}_{A}}=-\venstre( {{U}_{B}}-{{U}_{A}} \right)\)

Hvis vi omarrangerer vilkårene i denne ligning lidt, får vi:

\({{K}_{A}}+{{U}_{A}}={{K}_{B}}+{{U}_{B}}\)

Men hvis vi ser nærmere efter, kan vi se, at \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\) er den mekaniske energi af systemet i punktet \(A\) og \ ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) er den mekaniske energi i punktet \(B\). Lad \({{M}_{A}}\) og \({{M}_{B}}\) være de mekaniske energier af systemet i punktet \(A\) og i punktet \(B\) henholdsvis, kan vi så konkludere, at:

\({{M}_{A}}={{M}_{B}}\)

Det vil sige, at mekanisk energi bevares. Det skal understreges, at dette kun er gyldigt med konservative kræfter, da der i nærvær af ikke-konservative kræfter, såsom friktion eller friktion, er en spredning af energi.

Referencer

David Halliday, Robert Resnick og Jearl Walker. (2011). Grundlæggende om fysik. USA: John Wiley & Sons, Inc.