Mekanik Enerjinin Tanımı

bu Enerji Mekanik, var olan birçok enerji biçiminden sadece biridir. Belirli bir hızla yukarı doğru fırlatılan bir nesne hız daha sonra neredeyse aynı başlangıç ​​hızıyla düşmek, bir sarkaç bir yandan diğer yana sallanmakta ve hemen hemen aynı yüksekliğe ulaşmaktadır, büzülerek orijinal şekline geri dönen bir yay, bunların hepsi hareket halindeki mekanik enerjinin açık örnekleridir ve koruma. Ancak, bundan bahsetmeden önce, biraz bahsetmek önemlidir. Kinetik enerji Y potansiyel enerji.

Kinetik enerji

Kinetik enerji, durumu ile ilişkili bir enerji türüdür. hareket bir nesnenin, yani hızıyla. Bir cismin hareket hızı arttıkça kinetik enerjisi de artar. Bir cisim hareketsizken kinetik enerjisi sıfırdır. Klasik mekanikte \(v\) hızıyla hareket eden \(m\) kütleli bir cismin kinetik enerjisi \(K\) şu şekilde verilir:

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

Elimizde bir kaya olduğunu düşünelim ve onu yukarı doğru itelim, ilk başta kaya itmemizin bir sonucu olarak belirli bir hız, yani belirli bir miktarda enerjiye sahip olacak kinetik. Kaya yükseldikçe yavaşlayacak ve bu nedenle kinetik enerjisi giderek daha az olacaktır. “Enerji yaratılamaz veya yok edilemez, sadece dönüştürülür” diye duymuş olabilirsiniz, yani bu kaya örneğinde kinetik enerjisi nereye gitti? Bu soruyu cevaplamak için potansiyel enerjiden bahsetmek gerekir.

Potansiyel enerji

Genel olarak potansiyel enerji, birbirine kuvvet uygulayan farklı cisimlerden oluşan bir sistemin konfigürasyonu veya düzenlenmesi ile ilişkilendirilebilen bir enerji türüdür. Bir önceki örneğe dönersek, kayanın bir noktaya göre konumuna bağlı olarak belirli bir potansiyel enerjisi vardır. Elimizde olabilecek bir referans noktası, çünkü bu, yerçekimi kuvvetinin etkisi altında. Kara. Bu durumda potansiyel enerjinin değeri şu şekilde verilecektir:

\(U=mh\)

\(U\) yerçekimi potansiyel enerjisi olduğunda, \(m\) kayanın kütlesidir, \(g\) ivmedir Dünyanın yerçekimi ve \(h\) kayanın bize göre bulunduğu yüksekliktir. el.

Kayayı havaya fırlattığımızda kinetik enerjisi enerjiye dönüşecektir. Kaya belirli bir yüksekliğe ulaştığında ve yavaşlatıldığında potansiyel maksimum değere ulaşır. tamamlamak. Gördüğünüz gibi, bu örneği görmenin iki yolu vardır:

1) Kayayı yukarı doğru fırlattığımızda yavaşlıyor. kuvvet Dünya tarafından uygulanan yerçekimi.

2) Kayayı yukarı doğru fırlattığımızda kinetik enerjisi potansiyel enerjiye dönüştüğü için yavaşlar.

Burası çok önemli çünkü evrim Aynı sistem, etki eden kuvvetler veya enerji cinsinden görülebilir.

muhafazakar kuvvetler

Bir önceki örnekte yerçekimi kuvvetiyle ilişkili bir potansiyel enerji olduğundan bahsetmiştik ama bu herhangi bir kuvvet için geçerli midir? Bu sorunun cevabı hayırdır ve bu sadece güç denen bir kuvvet türü için geçerlidir. "Muhafazakar Kuvvetler", bunlara bazı örnekler yerçekimi, elastik kuvvet, kuvvet olabilir. elektrik vb.
Muhafazakar kuvvetlerin bir özelliği, bir cismi bir noktadan diğerine taşımak için yaptıkları mekanik işin izlediği yoldan bağımsız olmasıdır. söz konusu cismin ilk noktasından sonuna kadar, bu, kapalı bir yolda korunumlu bir kuvvet tarafından yapılan mekanik işin eşit olduğunu söylemekle aynıdır. sıfır.

Bunu görselleştirmek için önceki örneğimize geri dönelim, kayayı yukarı fırlattığımızda yerçekimi bir hareket yapmaya başlayacak. kinetik enerjisini kaybetmesine ve enerji kazanmasına neden olan negatif mekanik iş (hareketin tersi) potansiyel. Kaya maksimum yüksekliğe ulaştığında duracak ve düşmeye başlayacak, şimdi yerçekimi işini yapıyor olacak. potansiyel enerji kaybı ve enerji kazanımı şeklinde kendini gösterecek olan kaya üzerinde pozitif mekanik kinetik. Kayanın yolu, çıktığı aynı kinetik enerjiyle tekrar elimize ulaştığında sona erer (direncinin yokluğunda). hava).

Bu örnekte kaya başladığı noktaya ulaştı, dolayısıyla kapalı bir yol yaptığını söyleyebiliriz. Kaya yukarı çıkarken yerçekimi negatif mekanik iş yaptı ve kaya düşerken yerçekimi pozitif mekanik iş yaptı. öncekiyle aynı büyüklükte, bu nedenle, yerçekimi kuvveti tarafından kayanın tüm yolu boyunca yapılan toplam iş eşittir sıfır. Buna uymayan kuvvetlere "Korunumsuz Kuvvetler" denir ve bunlara bazı örnekler sürtünme ve sürtünmedir.

Yukarıdaki örnekte görebildiğimiz başka bir şey de kinetik enerji, potansiyel enerji ve mekanik iş arasındaki ilişkidir. Şunu söyleyebiliriz:

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

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

\(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K\) nerede kinetik enerjideki değişimdir, \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }U\) potansiyel enerjideki değişim ve \(W\) mekanik iştir.

Mekanik enerjinin korunumu

Başlangıçta belirtildiği gibi, bir sistemin mekanik enerjisi, potansiyel enerjisi ile kinetik enerjisinin toplamıdır. \(M\) mekanik enerji olsun, elimizde:

\(M=K+U\)

Yalnızca korunumlu kuvvetlerin (sürtünme veya sürtünme değil) etkileştiği kapalı bir sistemin mekanik enerjisi, sistem geliştikçe korunan bir niceliktir. Bunu görmek için, daha önce \(\text{ }\!\!\Delta\!\!\text{ }K=W\) ve \(\text{ }\!\! \Delta\!\ !\text{ }U=-W\), şunu söyleyebiliriz:

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

Diyelim ki bir \(A\) noktasında sistemimizin kinetik enerjisi \({{K}_{A}}\) ve potansiyel enerjisi \({{U}_{A}}\), daha sonra sistemimiz bir kinetik enerjiye \({{K}_{B}}\) ve bir potansiyel enerjiye sahip olduğu \(B\) noktasına evrimleşir. \({{U}_{B}}\). Yukarıdaki denkleme göre, o zaman:

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

Bu denklemin terimlerini biraz yeniden düzenlersek şunu elde ederiz:

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

Ancak, yakından bakarsak, \({{K}_{A}}+{{U}_{A}}\)'nin \(A\) ve \ noktalarındaki sistemin mekanik enerjisi olduğunu görebiliriz. ({{K}_{B}}+{{U}_{B}}\) \(B\) noktasındaki mekanik enerjidir. \({{M}_{A}}\) ve \({{M}_{B}}\) \(A\) noktasında ve \(B\) noktasında sistemin mekanik enerjileri olsun. sırasıyla şu sonuca varabiliriz:

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

Yani mekanik enerji korunur. Sürtünme veya sürtünme gibi korunumlu olmayan kuvvetlerin varlığında bir enerji kaybı olduğundan, bunun yalnızca korunumlu kuvvetler için geçerli olduğu vurgulanmalıdır.

Referanslar

David Halliday, Robert Resnick ve Jearl Walker. (2011). Fiziğin Temelleri. Amerika Birleşik Devletleri: John Wiley & Sons, Inc.