Mehāniskās enerģijas definīcija

The Enerģija Mehāniskā ir tikai viena no daudzajām pastāvošajām enerģijas formām. Priekšmets tiek izmests uz augšu ar noteiktu ātrumu lai pēc tam nokristu ar gandrīz tādu pašu sākotnējo ātrumu, svārstam šūpojoties no vienas puses uz otru, sasniedzot gandrīz tādu pašu augstumu, atspere, kas saraujas un atgriežas sākotnējā formā, tie visi ir skaidri piemēri mehāniskai enerģijai darbībā un tās saglabāšanu. Bet, pirms runāt par to, ir svarīgi mazliet par to runāt Kinētiskā enerģija Y potenciālā enerģija.

Kinētiskā enerģija

Kinētiskā enerģija ir enerģijas veids, kas ir saistīts ar stāvokli kustība objekta, tas ir, ar tā ātrumu. Jo lielāks ir ķermeņa kustības ātrums, jo lielāka ir tā kinētiskā enerģija. Kad objekts atrodas miera stāvoklī, tā kinētiskā enerģija ir nulle. Klasiskajā mehānikā ķermeņa ar masu \(m\), kas pārvietojas ar ātrumu \(v\), kinētisko enerģiju \(K\) nosaka:

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

Iedomāsimies, ka mums rokā ir akmens un mēs to stumjam uz augšu, sākumā akmens būs noteiktu ātrumu mūsu grūdiena rezultātā, tas ir, tam būs noteikts enerģijas daudzums kinētika. Klints paceļoties uz augšu, palēnināsies un tāpēc tā kinētiskā enerģija būs arvien mazāka. Iespējams, esat dzirdējuši, ka "enerģiju nevar radīt vai iznīcināt, tā tiek tikai pārveidota", tāpēc šajā klints piemērā, kur ir pazudusi tās kinētiskā enerģija? Lai atbildētu uz šo jautājumu, ir jārunā par potenciālo enerģiju.

Potenciālā enerģija

Vispārīgi runājot, potenciālā enerģija ir enerģijas veids, ko var saistīt ar dažādu objektu sistēmas konfigurāciju vai izvietojumu, kas iedarbojas viens uz otru. Atgriežoties pie iepriekšējā piemēra, iezim ir noteikta potenciālā enerģija atkarībā no tā stāvokļa attiecībā pret punktu atsauces, kas varētu būt arī mūsu roku, jo tas atrodas gravitācijas pievilcības ietekmē Zeme. Šajā gadījumā potenciālās enerģijas vērtību noteiks:

\(U=mgh\)

Kur \(U\) ir gravitācijas potenciālā enerģija, \(m\) ir akmens masa, \(g\) ir paātrinājums Zemes gravitācija un \(h\) ir augstums, kādā klints atrodas attiecībā pret mūsu roka.

Kad mēs metīsim akmeni uz augšu, tā kinētiskā enerģija tiks pārveidota enerģijā potenciāls sasniedz maksimālo vērtību, kad iezis sasniedz noteiktu augstumu un to palēninās pabeigt. Kā redzat, ir divi veidi, kā skatīt šo piemēru:

1) Kad mēs metam akmeni uz augšu, tas palēninās, jo spēks gravitācija, ko iedarbojas Zeme.

2) Kad mēs metam akmeni uz augšu, tas palēninās, jo tā kinētiskā enerģija tiek pārveidota par potenciālo enerģiju.

Tas šeit ir ļoti svarīgi, jo evolūcija tās pašas sistēmas darbību var aplūkot kā spēku vai enerģijas izteiksmi.

konservatīvie spēki

Iepriekšējā piemērā tika minēts, ka ar gravitācijas spēku ir saistīta potenciālā enerģija, bet vai tas attiecas uz kādu spēku? Atbilde uz šo jautājumu ir nē, un tā ir spēkā tikai tāda veida spēkam, ko sauc "Konservatīvie spēki", daži to piemēri varētu būt gravitācija, elastīgais spēks, spēks elektriskā utt.
Konservatīvo spēku īpašība ir tāda, ka mehāniskais darbs, ko tie veic ķermenim, lai to pārvietotu no viena punkta uz otru, nav atkarīgs no ceļa, pa kuru tas iet. minētais ķermenis no sākuma punkta līdz galam, tas ir tas pats, kas teikt, ka mehāniskais darbs, ko veic konservatīvs spēks slēgtā ceļā, ir vienāds ar nulle.

Lai to vizualizētu, atgriezīsimies pie mūsu iepriekšējā piemēra, kad mēs metīsim akmeni uz augšu, gravitācija sāks negatīvs mehānisks darbs (pretēji kustībai), izraisot tā zaudēšanu kinētisko enerģiju un iegūstot enerģiju potenciāls. Kad klints sasniegs maksimālo augstumu, tas apstāsies un sāks krist, tagad gravitācija darīs savu darbu pozitīvs mehānisks uz klints, kas izpaudīsies kā potenciālās enerģijas zudums un enerģijas pieaugums kinētika. Akmens ceļš beidzas, kad tas atkal sasniedz mūsu roku ar to pašu kinētisko enerģiju, ar kādu tas pacēlās (ja nav pretestības gaiss).

Šajā piemērā klints sasniedza to pašu punktu, no kura tas sākās, tāpēc mēs varam teikt, ka tas veica slēgtu ceļu. Kad klints gāja uz augšu, gravitācija veica negatīvu mehānisko darbu, un, kad klints krīt, gravitācija veica pozitīvu mehānisko darbu. tāda paša lieluma kā iepriekšējā, tāpēc kopējais gravitācijas spēka darbs visā klints ceļā bija vienāds ar nulle. Spēkus, kas tam neatbilst, sauc par "nekonservatīvajiem spēkiem", un daži to piemēri ir berze un berze.

Vēl viena lieta, ko mēs varam redzēt iepriekš minētajā piemērā, ir attiecības starp kinētisko enerģiju, potenciālo enerģiju un mehānisko darbu. Mēs varam teikt, ka:

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

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

Kur \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) ir kinētiskās enerģijas izmaiņas, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) ir potenciālās enerģijas izmaiņas un \(W\) ir mehāniskais darbs.

Mehāniskās enerģijas saglabāšana

Kā minēts sākumā, sistēmas mehāniskā enerģija ir tās potenciālās enerģijas un kinētiskās enerģijas summa. Lai \(M\) ir mehāniskā enerģija, mums ir:

\(M=K+U\)

Slēgtas sistēmas mehāniskā enerģija, kurā mijiedarbojas tikai konservatīvi spēki (nevis berze vai berze), ir lielums, kas saglabājas, sistēmai attīstoties. Lai to redzētu, atcerēsimies, ka iepriekš minējām, ka \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) un \(\text{ }\!\! \Delta\!\ !\text{ }U=-W\), mēs varam teikt, ka:

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

Pieņemsim, ka punktā \(A\) mūsu sistēmai ir kinētiskā enerģija \({{K}_{A}}\) un potenciālā enerģija \({{U}_{A}}\), pēc tam mūsu sistēma attīstās līdz punktam \(B\), kurā tai ir kinētiskā enerģija \({{K}_{B}}\) un potenciālā enerģija \({{U}_{B}}\). Saskaņā ar iepriekš minēto vienādojumu, tad:

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

Nedaudz pārkārtojot šī vienādojuma nosacījumus, mēs iegūstam:

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

Bet, ja paskatāmies uzmanīgi, mēs varam redzēt, ka \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\) ir sistēmas mehāniskā enerģija punktā \(A\) un \ ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) ir mehāniskā enerģija punktā \(B\). Pieņemsim, ka \({{M}_{A}}\) un \({{M}_{B}}\) ir sistēmas mehāniskās enerģijas punktā \(A\) un punktā \(B\) attiecīgi mēs varam secināt, ka:

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

Tas ir, mehāniskā enerģija tiek saglabāta. Jāuzsver, ka tas attiecas tikai uz konservatīviem spēkiem, jo ​​nekonservatīvu spēku, piemēram, berzes vai berzes, klātbūtnē notiek enerģijas izkliede.

Atsauces

Deivids Hallidejs, Roberts Resņiks un Džearls Vokers. (2011). Fizikas pamati. Amerikas Savienotās Valstis: John Wiley & Sons, Inc.