Definition av mekanisk energi

De Energi Mekanisk är bara en av de många energiformer som finns. Ett föremål som kastas uppåt med en viss fart att sedan falla med nästan samma initiala hastighet, en pendel som svänger från sida till sida och når nästan samma höjd, en fjäder som drar ihop sig och återgår till sin ursprungliga form, dessa är alla tydliga exempel på mekanisk energi i aktion och dess bevarande. Men, innan vi pratar om detta är det viktigt att prata lite om Rörelseenergi Y potentiell energi.

Rörelseenergi

Kinetisk energi är en typ av energi som är associerad med tillståndet av rörelse av ett föremål, det vill säga med dess hastighet. Ju högre hastighet en kropp rör sig med, desto större är dess kinetiska energi. När ett föremål är i vila är dess kinetiska energi noll. I klassisk mekanik ges den kinetiska energin \(K\) för en kropp med massa \(m\) som rör sig med en hastighet \(v\) av:

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

Låt oss föreställa oss att vi har en sten i handen och vi trycker den uppåt, först kommer stenen att ha viss hastighet som en konsekvens av vår push, det vill säga den kommer att ha en viss mängd energi kinetik. När berget stiger kommer det att sakta ner och därför blir dess kinetiska energi mindre och mindre. Du kanske har hört att "energi kan inte skapas eller förstöras, den omvandlas bara", så var har dess rörelseenergi tagit vägen i detta exempel på berget? För att svara på denna fråga är det nödvändigt att prata om potentiell energi.

Potentiell energi

Generellt sett är potentiell energi en typ av energi som kan associeras med konfigurationen eller arrangemanget av ett system av olika objekt som utövar krafter på varandra. För att återgå till det föregående exemplet har berget en viss potentiell energi beroende på dess position i förhållande till en punkt referens, vilket mycket väl kan vara vår hand, eftersom det är under inflytande av gravitationsattraktionen Landa. I detta fall kommer värdet av den potentiella energin att ges av:

\(U=mgh\)

Där \(U\) är den potentiella gravitationsenergin, \(m\) är bergets massa, \(g\) är accelerationen jordens gravitation och \(h\) är den höjd på vilken bergarten befinner sig i förhållande till vår hand.

När vi kastar upp stenen kommer dess kinetiska energi att omvandlas till energi potential som når ett maxvärde när berget når en viss höjd och bromsas av komplett. Som du kan se finns det två sätt att se detta exempel:

1) När vi kastar stenen uppåt saktar den ner på grund av styrka gravitationen som jorden utövar.

2) När vi kastar stenen uppåt saktar den ner eftersom dess kinetiska energi omvandlas till potentiell energi.

Detta här är av stor betydelse eftersom Evolution av samma system kan ses i termer av krafter som verkar eller i termer av energi.

konservativa krafter

I det föregående exemplet nämndes det att det finns en potentiell energi associerad med gravitationskraften, men är detta giltigt för någon kraft? Svaret på denna fråga är nej, och detta är endast giltigt för en typ av kraft som kallas "Konservativa krafter", några exempel på dessa skulle vara gravitation, den elastiska kraften, kraften el etc.
Ett kännetecken för konservativa krafter är att det mekaniska arbetet de gör på en kropp för att flytta den från en punkt till en annan är oberoende av den väg den följer. nämnda kropp från den initiala punkten till slutet, detta är samma sak som att säga att det mekaniska arbetet som utförs av en konservativ kraft i en sluten bana är lika med noll.

För att visualisera detta, låt oss gå tillbaka till vårt tidigare exempel, när vi kastar upp stenen kommer gravitationen att börja göra en negativt mekaniskt arbete (motsats till rörelse) på det som gör att det förlorar kinetisk energi och får energi potential. När stenen når sin maximala höjd kommer den att stanna och börja falla, nu kommer gravitationen att göra ett jobb positiv mekanisk på berget som kommer att visa sig i en förlust av potentiell energi och en vinst av energi kinetik. Stenens väg slutar när den når vår hand igen med samma kinetiska energi som den tog fart (i avsaknad av motståndet från luft).

I det här exemplet nådde stenen samma punkt som den startade från, så vi kan säga att den gjorde en stängd väg. När berget var på väg upp utförde gravitationen negativt mekaniskt arbete och när stenen höll på att falla gjorde gravitationen positivt mekaniskt arbete. av samma storlek som den föregående, därför var det totala arbetet som utfördes av gravitationskraften längs bergets hela väg lika med noll. De krafter som inte följer detta kallas "Icke-konservativa krafter" och några exempel på dessa är friktion och friktion.

En annan sak vi kan se i exemplet ovan är förhållandet mellan kinetisk energi, potentiell energi och mekaniskt arbete. Vi kan säga så:

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

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

Där \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) är förändringen i kinetisk energi, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) är förändringen i potentiell energi och \(W\) är det mekaniska arbetet.

Bevarande av mekanisk energi

Som nämndes i början är den mekaniska energin i ett system summan av dess potentiella energi och dess kinetiska energi. Låt \(M\) vara den mekaniska energin, vi har:

\(M=K+U\)

Den mekaniska energin i ett slutet system där endast konservativa krafter (inte friktion eller friktion) samverkar är en kvantitet som bevaras när systemet utvecklas. För att se detta, låt oss komma ihåg att vi tidigare nämnde att \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) och \(\text{ }\!\! \Delta\!\ !\text{ }U=-W\), kan vi då säga att:

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

Antag att vårt system vid en punkt \(A\) har en kinetisk energi \({{K}_{A}}\) och en potentiell energi \({{U}_{A}}\), därefter utvecklas vårt system till en punkt \(B\) där det har en kinetisk energi \({{K}_{B}}\) och en potentiell energi \({{DU ÄR}}\). Enligt ovanstående ekvation, då:

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

Om vi ​​ordnar om termerna i denna ekvation lite får vi:

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

Men om vi tittar noga kan vi se att \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\) är den mekaniska energin i systemet vid punkten \(A\) och \ ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) är den mekaniska energin i punkten \(B\). Låt \({{M}_{A}}\) och \({{M}_{B}}\) vara de mekaniska energierna i systemet vid punkten \(A\) och vid punkten \(B\), respektive, vi kan sedan dra slutsatsen att:

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

Det vill säga att mekanisk energi bevaras. Det bör betonas att detta endast är giltigt med konservativa krafter, eftersom det i närvaro av icke-konservativa krafter, såsom friktion eller friktion, finns en förlust av energi.

Referenser

David Halliday, Robert Resnick och Jearl Walker. (2011). Fysikens grunder. USA: John Wiley & Sons, Inc.