Mehaanilise energia definitsioon

The Energia Mehaaniline on vaid üks paljudest olemasolevatest energialiikidest. Objekt, mida visatakse ülespoole teatud kiirust et seejärel kukkuda peaaegu sama algkiirusega, küljelt küljele õõtsuv pendel saavutab peaaegu sama kõrguse, vedru, mis tõmbub kokku ja naaseb oma esialgsele kujule, need on kõik selged näited mehaanilisest energiast töös ja selle konserveerimine. Kuid enne sellest rääkimist on oluline sellest veidi rääkida Kineetiline energia Y potentsiaalne energia.

Kineetiline energia

Kineetiline energia on teatud tüüpi energia, mis on seotud olekuga liikumine objektist, st selle kiirusega. Mida suurema kiirusega keha liigub, seda suurem on selle kineetiline energia. Kui objekt on puhkeolekus, on selle kineetiline energia null. Klassikalises mehaanikas antakse kiirusega \(v\) liikuva massiga \(m\) keha kineetiline energia:

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

Kujutagem ette, et meil on käes kivi ja me lükkame seda ülespoole, algul on kivil teatud kiirus meie tõuke tagajärjel, see tähendab, et sellel on teatud hulk energiat kineetika. Kivi tõustes aeglustub ja seetõttu jääb selle kineetiline energia järjest väiksemaks. Võib-olla olete kuulnud, et "energiat ei saa luua ega hävitada, seda ainult muudetakse", nii et kuhu on selle kivimi näite puhul kadunud selle kineetiline energia? Sellele küsimusele vastamiseks on vaja rääkida potentsiaalsest energiast.

Potentsiaalne energia

Üldiselt on potentsiaalne energia teatud tüüpi energia, mida saab seostada erinevate objektide süsteemi konfiguratsiooni või paigutusega, mis avaldavad üksteisele jõude. Tulles tagasi eelmise näite juurde, siis kivimil on teatud potentsiaalne energia, mis sõltub selle asukohast punkti suhtes viide, mis võiks olla meie käsi, sest see on gravitatsioonilise külgetõmbe mõju all Maa. Sel juhul annab potentsiaalse energia väärtuse:

\(U=mgh\)

Kus \(U\) on gravitatsiooni potentsiaalne energia, \(m\) on kivimi mass, \(g\) on kiirendus Maa gravitatsioon ja \(h\) on kivimi kõrgus meie suhtes käsi.

Kui me kivi üles viskame, muundub selle kineetiline energia energiaks potentsiaal saavutab maksimumväärtuse, kui kivi saavutab teatud kõrguse ja aeglustub selle võrra täielik. Nagu näete, on selle näite vaatamiseks kaks võimalust:

1) Kui me viskame kivi ülespoole, aeglustub see tänu tugevus Maa poolt avaldatav gravitatsioon.

2) Kui me viskame kivi ülespoole, siis see aeglustub, kuna selle kineetiline energia muundub potentsiaalseks energiaks.

See on siin väga oluline, sest evolutsioon sama süsteemi võib vaadelda mõjuvate jõudude või energia poolest.

konservatiivsed jõud

Eelmises näites mainiti, et gravitatsioonijõuga on seotud potentsiaalne energia, kuid kas see kehtib mõne jõu puhul? Vastus sellele küsimusele on eitav ja see kehtib ainult teatud tüüpi jõu kohta "Konservatiivsed jõud", mõned näited nendest on gravitatsioon, elastsusjõud, jõud elektriline jne.
Konservatiivsetele jõududele on iseloomulik, et mehaaniline töö, mida nad kehaga ühest punktist teise liigutamiseks teevad, ei sõltu sellest, millist teed see järgib. nimetatud keha algpunktist lõpuni, see on sama, mis öelda, et konservatiivse jõu poolt suletud teel tehtud mehaaniline töö on võrdne null.

Selle visualiseerimiseks pöördume tagasi meie eelmise näite juurde, kui kivi üles viskame, hakkab gravitatsioon negatiivne mehaaniline töö (vastupidine liikumisele), mis põhjustab selle kineetilise energia kaotamise ja energia suurenemise potentsiaal. Kui kivi saavutab maksimaalse kõrguse, siis see peatub ja hakkab langema, nüüd teeb gravitatsioon oma tööd positiivne mehaaniline kivi, mis väljendub potentsiaalse energia kadumises ja energia suurenemises kineetika. Kivi teekond lõpeb siis, kui see jõuab uuesti meie kätte sama kineetilise energiaga, millega ta õhku tõusis (kui kivi vastupanu puudub õhku).

Selles näites jõudis kivi samasse punkti, kust see alguse sai, seega võib öelda, et see tegi suletud tee. Kui kivi tõusis, tegi gravitatsioon negatiivset mehaanilist tööd ja kui kivi langes, tegi gravitatsioon positiivset mehaanilist tööd. samas suurusjärgus kui eelmine, seega oli gravitatsioonijõu poolt kogu kivimi teekonnal tehtud töö võrdne null. Jõudusid, mis sellele ei vasta, nimetatakse "mittekonservatiivseteks jõududeks" ja mõned näited nendest on hõõrdumine ja hõõrdumine.

Teine asi, mida ülaltoodud näites näeme, on seos kineetilise energia, potentsiaalse energia ja mehaanilise töö vahel. Võime öelda, et:

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

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

Kus \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) on kineetilise energia muutus, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) on potentsiaalse energia muutus ja \(W\) on mehaaniline töö.

Mehaanilise energia säästmine

Nagu alguses mainitud, on süsteemi mehaaniline energia selle potentsiaalse energia ja kineetilise energia summa. Olgu \(M\) mehaaniline energia, meil on:

\(M=K+U\)

Suletud süsteemi mehaaniline energia, milles mõjutavad ainult konservatiivsed jõud (mitte hõõrdumine ega hõõrdumine), on suurus, mis süsteemi arenedes säilib. Selle nägemiseks tuletagem meelde, et varem mainisime, et \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) ja \(\text{ }\!\! \Delta\!\ !\text{ }U=-W\), võime siis öelda, et:

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

Oletame, et punktis \(A\) on meie süsteemil kineetiline energia \({{K}_{A}}\) ja potentsiaalne energia \({{U}_{A}}\), seejärel areneb meie süsteem punktini \(B\), kus sellel on kineetiline energia \({{K}_{B}}\) ja potentsiaalne energia \({{U}_{B}}\). Ülaltoodud võrrandi kohaselt siis:

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

Selle võrrandi tingimusi veidi ümber paigutades saame:

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

Kuid kui vaatame tähelepanelikult, näeme, et \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\) on süsteemi mehaaniline energia punktides \(A\) ja \ ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) on mehaaniline energia punktis \(B\). Olgu \({{M}_{A}}\) ja \({{M}_{B}}\) süsteemi mehaanilised energiad punktis \(A\) ja punktis \(B\), võime järeldada, et:

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

See tähendab, et mehaaniline energia säilib. Tuleb rõhutada, et see kehtib ainult konservatiivsete jõudude puhul, kuna mittekonservatiivsete jõudude, nagu hõõrdumine või hõõrdumine, juuresolekul toimub energia hajumine.

Viited

David Halliday, Robert Resnick ja Jearl Walker. (2011). Füüsika alused. Ameerika Ühendriigid: John Wiley & Sons, Inc.