Definiția energiei mecanice

The Energie Mecanica este doar una dintre multele forme de energie care există. Un obiect care este aruncat în sus cu un anumit viteză ca apoi să cadă cu aproape aceeași viteză inițială, un pendul care se balansează dintr-o parte în alta atingând aproape aceeași înălțime, un arc care se contractă și revine la forma sa originală, toate acestea sunt exemple clare de energie mecanică în acțiune și conservare. Dar, înainte de a vorbi despre asta, este important să vorbim puțin despre asta Energie kinetică Y energie potențială.

Energie kinetică

Energia cinetică este un tip de energie care este asociată cu starea de circulaţie a unui obiect, adică cu viteza lui. Cu cât viteza cu care se mișcă un corp este mai mare, cu atât energia cinetică este mai mare. Când un obiect este în repaus, energia lui cinetică este zero. În mecanica clasică, energia cinetică \(K\) a unui corp cu masa \(m\) care se deplasează cu o viteză \(v\) este dată de:

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

Să ne imaginăm că avem o stâncă în mână și o împingem în sus, la început stânca va avea o anumită viteză ca urmare a împingerii noastre, adică va avea o anumită cantitate de energie cinetica. Pe măsură ce roca urcă, aceasta va încetini și, prin urmare, energia sa cinetică va fi din ce în ce mai mică. Poate ați auzit că „energia nu poate fi creată sau distrusă, ea este doar transformată”, așa că în acest exemplu de rocă, unde a dispărut energia sa cinetică? Pentru a răspunde la această întrebare este necesar să vorbim despre energia potențială.

Energie potențială

În termeni generali, energia potențială este un tip de energie care poate fi asociată cu configurația sau aranjarea unui sistem de diferite obiecte care exercită forțe unul asupra celuilalt. Revenind la exemplul anterior, roca are o anumită energie potențială în funcție de poziția sa față de un punct de referință, care ar putea fi mâna noastră, deoarece se află sub influența atracției gravitaționale a Teren. În acest caz, valoarea energiei potențiale va fi dată de:

\(U=mgh\)

Unde \(U\) este energia potențială gravitațională, \(m\) este masa rocii, \(g\) este accelerația gravitația Pământului și \(h\) este înălțimea la care se află roca față de a noastră mână.

Când aruncăm piatra în sus, energia ei cinetică se va transforma în energie potențialul atingând o valoare maximă atunci când roca atinge o anumită înălțime și este încetinită de complet. După cum puteți vedea, există două moduri de a vizualiza acest exemplu:

1) Când aruncăm stânca în sus, aceasta încetinește din cauza putere gravitația exercitată de Pământ.

2) Când aruncăm piatra în sus, aceasta încetinește deoarece energia sa cinetică este transformată în energie potențială.

Acest lucru aici este de mare importanță deoarece evoluţie ale aceluiaşi sistem pot fi privite în termeni de forţe care acţionează sau în termeni de energie.

forțe conservatoare

În exemplul anterior s-a menționat că există o energie potențială asociată cu forța gravitațională, dar aceasta este valabilă pentru orice forță? Răspunsul la această întrebare este nu, iar acest lucru este valabil doar pentru un tip de forță numit „Forțe conservative”, câteva exemple dintre acestea ar fi gravitația, forța elastică, forța electrice etc.
O caracteristică a forțelor conservatoare este că munca mecanică pe care o fac asupra unui corp pentru a-l muta dintr-un punct în altul este independent de calea pe care o urmează. respectivul corp de la punctul inițial până la sfârșit, aceasta este același lucru cu a spune că munca mecanică efectuată de o forță conservatoare într-un drum închis este egal cu zero.

Pentru a vizualiza acest lucru, să ne întoarcem la exemplul nostru anterior, când aruncăm piatra în sus, gravitația va începe să facă o lucru mecanic negativ (opus mișcării) asupra acestuia, ceea ce o face să piardă energia cinetică și să câștige energie potenţial. Când roca atinge înălțimea maximă, se va opri și începe să cadă, acum gravitația va face treaba mecanic pozitiv pe rocă care se va manifesta printr-o pierdere de energie potențială și un câștig de energie cinetica. Calea rocii se termină când ajunge din nou la mână cu aceeași energie cinetică cu care a decolat (în absența rezistenței aer).

În acest exemplu, stânca a ajuns în același punct din care a pornit, așa că putem spune că a făcut o potecă închisă. Când roca se ridica, gravitația a făcut un lucru mecanic negativ, iar când roca a căzut, gravitația a făcut un lucru mecanic pozitiv. de aceeași mărime cu cea precedentă, prin urmare, munca totală efectuată de forța gravitațională de-a lungul întregului drum al rocii a fost egală cu zero. Forțele care nu respectă acest lucru se numesc „Forțe non-conservative” și câteva exemple dintre acestea sunt frecarea și frecarea.

Un alt lucru pe care îl putem vedea în exemplul de mai sus este relația dintre energia cinetică, energia potențială și lucrul mecanic. Putem spune că:

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

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

Unde \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) este modificarea energiei cinetice, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) este modificarea energiei potențiale și \(W\) este lucrul mecanic.

Conservarea energiei mecanice

După cum am menționat la început, energia mecanică a unui sistem este suma energiei sale potențiale și a energiei sale cinetice. Fie \(M\) energia mecanică, avem:

\(M=K+U\)

Energia mecanică a unui sistem închis în care interacționează doar forțele conservative (nu frecarea sau frecarea) este o mărime care se păstrează pe măsură ce sistemul evoluează. Pentru a vedea acest lucru, să ne amintim că am menționat anterior că \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) și \(\text{ }\!\!\! \Delta\!\ !\text{ }U=-W\), putem spune atunci că:

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

Să presupunem că într-un punct \(A\) sistemul nostru are o energie cinetică \({{K}_{A}}\) și o energie potențială \({{U}_{A}}\), ulterior sistemul nostru evoluează până la un punct \(B\) în care are o energie cinetică \({{K}_{B}}\) și o energie potențială \({{U}_{B}}\). Conform ecuației de mai sus, atunci:

\({{K}_{B}}-{{K}_{A}}=-\stânga( {{U}_{B}}-{{U}_{A}} \dreapta)\)

Rearanjand puțin termenii acestei ecuații, obținem:

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

Dar, dacă ne uităm cu atenție, putem vedea că \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\) este energia mecanică a sistemului în punctul \(A\) și \ ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) este energia mecanică în punctul \(B\). Fie \({{M}_{A}}\) și \({{M}_{B}}\) energiile mecanice ale sistemului în punctul \(A\) și în punctul \(B\), respectiv, putem concluziona că:

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

Adică energia mecanică este conservată. Trebuie subliniat că acest lucru este valabil numai cu forțe conservatoare, deoarece, în prezența unor forțe neconservative, precum frecarea sau frecarea, are loc o disipare a energiei.

Referințe

David Halliday, Robert Resnick și Jearl Walker. (2011). Fundamentele fizicii. Statele Unite ale Americii: John Wiley & Sons, Inc.