მექანიკური ენერგიის განმარტება

The ენერგია მექანიკური არის მხოლოდ ერთი ენერგიის მრავალი ფორმა, რომელიც არსებობს. საგანი, რომელიც აგდებულია ზევით გარკვეული სიჩქარე შემდეგ დაეცემა თითქმის იგივე საწყისი სიჩქარით, ქანქარა მოძრაობს გვერდიდან მხარეს და აღწევს თითქმის იმავე სიმაღლეს, ზამბარა, რომელიც იკუმშება და უბრუნდება თავის პირვანდელ ფორმას, ეს ყველაფერი მოქმედების მექანიკური ენერგიის ნათელი მაგალითია და მისი კონსერვაცია. მაგრამ, სანამ ამაზე ვისაუბრებთ, მნიშვნელოვანია ცოტა ვისაუბროთ Კინეტიკური ენერგია ი პოტენციური ენერგია.

Კინეტიკური ენერგია

კინეტიკური ენერგია არის ენერგიის სახეობა, რომელიც დაკავშირებულია მდგომარეობასთან მოძრაობა ობიექტის, ანუ მისი სიჩქარით. რაც უფრო დიდია სხეულის მოძრაობის სიჩქარე, მით მეტია მისი კინეტიკური ენერგია. როდესაც ობიექტი მოსვენებულ მდგომარეობაშია, მისი კინეტიკური ენერგია ნულის ტოლია. კლასიკურ მექანიკაში სხეულის კინეტიკური ენერგია \(K\) \(m\) მასით, რომელიც მოძრაობს \(v\) სიჩქარით მოცემულია:

\(K=\frac{1}{2}მ{{v}^{2}}\)

წარმოვიდგინოთ, რომ ხელში კლდე გვაქვს და მაღლა ავწევთ, თავიდან კლდეს ექნება გარკვეული სიჩქარე ჩვენი ბიძგის შედეგად, ანუ მას ექნება გარკვეული რაოდენობის ენერგია კინეტიკა. კლდე ასვლისას შენელდება და შესაბამისად მისი კინეტიკური ენერგია სულ უფრო და უფრო ნაკლები იქნება. ალბათ გსმენიათ, რომ „ენერგია არ შეიძლება შეიქმნას ან განადგურება, ის მხოლოდ გარდაიქმნება“, ასე რომ, კლდის ამ მაგალითში სად წავიდა მისი კინეტიკური ენერგია? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად აუცილებელია ვისაუბროთ პოტენციურ ენერგიაზე.

Პოტენციური ენერგია

ზოგადად, პოტენციური ენერგია არის ენერგიის სახეობა, რომელიც შეიძლება დაკავშირებული იყოს სხვადასხვა ობიექტების სისტემის კონფიგურაციასთან ან მოწყობასთან, რომლებიც ახდენენ ძალებს ერთმანეთზე. წინა მაგალითს რომ დავუბრუნდეთ, კლდეს აქვს გარკვეული პოტენციური ენერგია, რაც დამოკიდებულია მის პოზიციაზე წერტილის მიმართ მითითება, რომელიც შეიძლება იყოს ჩვენი ხელი, რადგან ის არის გრავიტაციული მიზიდულობის გავლენის ქვეშ მიწა. ამ შემთხვევაში პოტენციური ენერგიის მნიშვნელობა მიიღება შემდეგით:

\(U=მგ\)

სადაც \(U\) არის გრავიტაციული პოტენციური ენერგია, \(m\) არის კლდის მასა, \(g\) არის აჩქარება დედამიწის გრავიტაცია და \(h\) არის სიმაღლე, რომელზეც მდებარეობს კლდე ჩვენს მიმართ ხელი.

როდესაც ქვას მაღლა ავყრით, მისი კინეტიკური ენერგია ენერგიად გარდაიქმნება პოტენციალი აღწევს მაქსიმალურ მნიშვნელობას, როდესაც კლდე მიაღწევს გარკვეულ სიმაღლეს და შენელდება სრული. როგორც ხედავთ, ამ მაგალითის სანახავად ორი გზა არსებობს:

1)როდესაც კლდეს ზევით ვყრით, ის ნელდება იმის გამო ძალა დედამიწის მიერ განხორციელებული გრავიტაცია.

2)როდესაც კლდეს ზევით ვყრით, ის ნელდება, რადგან მისი კინეტიკური ენერგია გარდაიქმნება პოტენციურ ენერგიად.

ამას აქ დიდი მნიშვნელობა აქვს, რადგან ევოლუცია ერთი და იგივე სისტემის განხილვა შესაძლებელია მოქმედი ძალების ან ენერგიის თვალსაზრისით.

კონსერვატიული ძალები

წინა მაგალითში აღინიშნა, რომ არსებობს პოტენციური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია გრავიტაციულ ძალასთან, მაგრამ მოქმედებს თუ არა ეს რომელიმე ძალისთვის? ამ კითხვაზე პასუხი არის არა და ეს მოქმედებს მხოლოდ იმ ტიპის ძალისთვის, რომელსაც ეწოდება "კონსერვატიული ძალები", ამის რამდენიმე მაგალითი იქნება გრავიტაცია, ელასტიური ძალა, ძალა ელექტრო და ა.შ.
კონსერვატიული ძალების მახასიათებელია ის, რომ მექანიკური მუშაობა, რომელსაც ისინი ასრულებენ სხეულზე, რათა გადაიტანონ იგი ერთი წერტილიდან მეორეზე, დამოუკიდებელია იმ გზიდან, რომელსაც იგი მიჰყვება. აღნიშნული სხეული საწყისი წერტილიდან ბოლომდე, ეს იგივეა, რაც დახურულ გზაზე კონსერვატიული ძალის მიერ შესრულებული მექანიკური სამუშაო ტოლია ნული.

ამის ვიზუალიზაციისთვის მოდით დავუბრუნდეთ ჩვენს წინა მაგალითს, როდესაც კლდეს მაღლა ავყრით, გრავიტაცია დაიწყებს მასზე უარყოფითი მექანიკური მუშაობა (მოძრაობის საწინააღმდეგოდ), რაც იწვევს მას კინეტიკურ ენერგიის დაკარგვას და ენერგიის მიღებას. პოტენციალი. როდესაც კლდე მაქსიმალურ სიმაღლეს მიაღწევს, ის გაჩერდება და დაცემას დაიწყებს, ახლა გრავიტაცია იმუშავებს პოზიტიური მექანიკა კლდეზე, რომელიც გამოიხატება პოტენციური ენერგიის დაკარგვაში და ენერგიის მოპოვებაში კინეტიკა. კლდის გზა მთავრდება, როდესაც ის ხელახლა მიაღწევს ჩვენს ხელებს იმავე კინეტიკური ენერგიით, რომლითაც იგი აფრინდა (წინააღმდეგობის არარსებობის შემთხვევაში საჰაერო).

ამ მაგალითში კლდე მიაღწია იმავე წერტილს, საიდანაც დაიწყო, ასე რომ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ მან დახურულ გზას აიღო. როდესაც კლდე ადიოდა, გრავიტაცია აკეთებდა უარყოფით მექანიკურ მუშაობას, ხოლო როდესაც კლდე ეცემა, გრავიტაცია აკეთებდა დადებით მექანიკურ მუშაობას. იგივე სიდიდის, როგორც წინა, შესაბამისად, გრავიტაციული ძალის მიერ შესრულებული მთლიანი სამუშაო კლდის მთელ გზაზე ტოლი იყო ნული. ძალებს, რომლებიც არ შეესაბამება ამას, ეწოდება "არაკონსერვატიული ძალები" და ამის რამდენიმე მაგალითია ხახუნი და ხახუნი.

კიდევ ერთი რამ, რაც ზემოთ მოცემულ მაგალითში შეგვიძლია დავინახოთ, არის კავშირი კინეტიკურ ენერგიას, პოტენციურ ენერგიასა და მექანიკურ მუშაობას შორის. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ:

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

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

სადაც \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) არის კინეტიკური ენერგიის ცვლილება, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) არის პოტენციური ენერგიის ცვლილება და \(W\) არის მექანიკური სამუშაო.

მექანიკური ენერგიის კონსერვაცია

როგორც დასაწყისში აღვნიშნეთ, სისტემის მექანიკური ენერგია არის მისი პოტენციური ენერგიის ჯამი და მისი კინეტიკური ენერგია. დაე, \(M\) იყოს მექანიკური ენერგია, გვაქვს:

\(M=K+U\)

დახურული სისტემის მექანიკური ენერგია, რომელშიც მხოლოდ კონსერვატიული ძალები (არა ხახუნი ან ხახუნი) ურთიერთქმედებენ, არის სიდიდე, რომელიც შენარჩუნებულია სისტემის განვითარებასთან ერთად. ამის სანახავად, გავიხსენოთ, რომ ადრე აღვნიშნეთ, რომ \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) და \(\text{ }\!\! \Delta\!\ !\text{}U=-W\), შემდეგ შეგვიძლია ვთქვათ, რომ:

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

დავუშვათ, რომ \(A\) წერტილში ჩვენს სისტემას აქვს კინეტიკური ენერგია \({{K}_{A}}\) და პოტენციური ენერგია \({{U}_{A}}\), შემდგომში ჩვენი სისტემა ვითარდება \(B\) წერტილამდე, სადაც მას აქვს კინეტიკური ენერგია \({{K}_{B}}\) და პოტენციური ენერგია. \({{U}_{B}}\). ზემოაღნიშნული განტოლების მიხედვით, მაშინ:

\({{K}_{B}}-{{K}_{A}}=-\მარცხნივ( {{U}_{B}}-{{U}_{A}} \მარჯვნივ)\)

ამ განტოლების ტერმინების ოდნავ გადალაგებით, მივიღებთ:

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

მაგრამ, თუ კარგად დავაკვირდებით, დავინახავთ, რომ \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\) არის სისტემის მექანიკური ენერგია \(A\) წერტილში და \ ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) არის მექანიკური ენერგია \(B\) წერტილში. მოდით \({{M}_{A}}\) და \({{M}_{B}}\) იყოს სისტემის მექანიკური ენერგია \(A\) და \(B\) წერტილში. შესაბამისად, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ:

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

ანუ მექანიკური ენერგია შენარჩუნებულია. ხაზგასმით უნდა აღინიშნოს, რომ ეს ეხება მხოლოდ კონსერვატიულ ძალებს, რადგან არაკონსერვატიული ძალების არსებობისას, როგორიცაა ხახუნი ან ხახუნი, ხდება ენერგიის გაფანტვა.

ცნობები

დევიდ ჰალიდეი, რობერტ რეზნიკი და ჯეარლ უოკერი. (2011). ფიზიკის საფუძვლები. შეერთებული შტატები: John Wiley & Sons, Inc.