Mechaninė energija yra energijos suma mechaninėje sistemoje arba bet kurioje objektų grupėje, kuri sąveikauja remiantis pagrindiniais mechaniniais principais. Tai apima ir kinetinę energiją, judėjimo energiją, ir potencialią energiją, saugomą padėties energiją. Paprastai mechaninėje sistemoje gravitacija yra vienintelė pagrindinė išorinė jėga, į kurią reikia atsižvelgti. Priešingai, cheminėje sistemoje reikia atsižvelgti į jėgas tarp atskirų molekulių ir atomų.
Bendras fonas
Mechaninė energija sistemoje egzistuoja ir kaip kinetinė, ir kaip potenciali energija. Kinetinė energija yra visada, kai objektas juda. Potenciali energija pagrįsta objekto padėtimi; ji yra sukaupta energija ir negali dirbti pati. Tačiau ji gali būti konvertuojama į kitas energijos formas, įskaitant kinetinę energiją. Pavyzdžiui, boulingo kamuolys, pakabintas 10 pėdų (3 m) virš žemės, neturi kinetinės energijos, nes nejuda. Tačiau jis turi daug potencialios energijos (šiuo atveju gravitacinės potencialios energijos), kuri būtų paversta kinetine energija, jei rutuliui būtų leista kristi.
Vidurinės mokyklos fizikos pamokos dažnai prasideda mokant mokinius apie pagrindinius mechaninių sistemų principus ir jų energiją. Taip yra todėl, kad juos paprastai lengviau įsivaizduoti ir supaprastinti. Pagrindinius šių sistemų skaičiavimus galima atlikti nenaudojant skaičiavimo. Daugumoje paprastų fizikos problemų mechaninė sistema lieka uždaryta, o veiksniai, kurie paprastai pašalintų energiją iš sistemos, pvz., trintis ir oro pasipriešinimas, yra ignoruojami.
Kaip apskaičiuoti mechaninę energiją
Bendra mechaninė energija gali būti apskaičiuojama tiesiog pridedant sistemos potencinę ir kinetinę energiją. Potenciali energija (PE) – tai objekto aukščio virš žemės (h), jo masės (m) ir Žemės gravitacinio pagreičio (g, kuris yra 9.8 m/s2) sandauga.
PE = h × m × g
Objekto kinetinė energija (KE) yra 1/2 jo masės ir jo greičio kvadrato (v) sandauga.
KE = 1/2mv2
Masė nurodoma kilogramais (kg), aukštis metrais (m), greitis metrais per sekundę (m/s), energija – džauliais (j).
Pavyzdžiui, 5 kilogramų (11 svarų) boulingo kamuoliuko, esančio 3 metrų (10 pėdų) virš žemės, potenciali energija yra 147 džauliai (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j), nepaisant to, kad kamuolys yra viduje. judesyje arba ramybėje. Jei tas rutulys taip pat krenta 2 m/s greičiu, jo kinetinė energija yra 10 džaulių (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Kai žinoma potenciali ir kinetinė energija, galima rasti bendrą mechaninę energiją. Abi energijos rūšys tiesiog sudedamos.
Mechaninė energija = PE + KE
Šiame pavyzdyje bendra boulingo kamuoliuko mechaninė energija yra 157 džauliai (147 j + 10 j = 157 j).
Mechaninė prieš cheminę ir branduolinę energiją
Yra daug kitų energijos formų, ir kartais gali būti sunku tinkamai atskirti vieną nuo kitos. Pavyzdžiui, cheminė energija yra ta energija, saugoma molekulių cheminiuose ryšiuose. Branduolinė energija yra energija, atsirandanti sąveikaujant tarp dalelių atomo branduolyje. Priešingai, mechaninė energija paprastai nepaiso objektų sudėties ir žiūri tik į atitinkamus objektus, nesirūpindama jų molekuline sandara.
Šis dėmesys skirtas supaprastinti mechaninės energijos ir mechaninių sistemų skaičiavimus. Šiose sistemose objektai paprastai traktuojami kaip atskiri objektai, o ne kaip milijardų molekulių suma. Apskaičiuoti vieno objekto kinetinę ir potencinę energiją yra paprasta užduotis; Apskaičiuoti šių rūšių energiją milijardams molekulių būtų labai sunku. Nesupaprastindami mechaninės sistemos dalių, mokslininkai turėtų ištirti atskirus atomus ir visas tarp jų esančias sąveikas ir jėgas. Tai paprastai skirta dalelių fizikai.
Konversija tarp energijos rūšių
Naudojant specialią įrangą, mechaninė energija gali būti paversta kitų rūšių energija. Pavyzdžiui, generatoriai skirti atlikti mechaninį darbą ir paversti jį elektra. Kitų rūšių energija taip pat gali būti paversta mechanine energija; pavyzdžiui, automobilio vidaus degimo variklis paverčia kuro cheminę energiją į mechaninę energiją, naudojamą automobilio judėjimui.