Mechaninė energija: apibrėžimas, kinetinė ir potencinė energija, dėsniai
Mechaninė energija: aiškus apibrėžimas, kinetinės ir potencinės energijos paaiškinimai, darbas, energijos išsaugojimo dėsnis ir praktiniai pavyzdžiai.
Fizikoje mechaninė energija apibūdina mechaninės sistemos komponentų potencinę ir kinetinę energiją. Mechaninė energija dažnai pateikiama kaip bendras sistemos kinetinės ir potencinės energijos suma:
E_mech = K + U, kur K žymi kinetinę energiją, o U – potencinę energiją.
Kinetinė energija
Kinetinė energija priklauso nuo kūno masės ir greičio. Kinetinė energija laisvo kietojo kūno judesyje dažnai apskaičiuojama pagal formulę:
K = 1/2 m v², kur m – masė, v – greitis.
Kinetinė energija yra judesio energija — kai kūnas juda greičiau arba jo masė didesnė, kinetinė energija didėja. Kinetinė energija yra skalara dydis ir jos vienetai tokie pat kaip ir kitų energijos formų (žiūr. vienetai).
Potencinė energija
Potencinė energija – tai energija, susijusi su kūno padėtimi ar deformacija sistemoje veikiant lauko jėgoms (pvz., gravitaciniam lauke arba spyruoklei). Dažniausiai vartojami pavyzdžiai:
- Gravitacinė potencinė energija arti Žemės paviršiaus: U = m g h, kur g – gravitacijos pagreitis, h – aukštis virš pasirinktos nulio padėties. Potencinė energija priklauso nuo pasirinktos nulio lygio—ji yra santykinė.
- Elastinė (spyruoklinė) potencinė energija: U = 1/2 k x², kur k – spyruoklės standumas, x – išstūmimas nuo pusiausvyros.
Mechaninis darbas
Darbas – tai mechaninės jėgos poveikis per poslinkį. Tikslesnė išraiška vienmatėje formoje:
W = ∫ F · ds arba paprastai W = F s cosθ, kur θ – kampas tarp jėgos ir poslinkio krypčių. Jei jėga pagreitina kūną, ji atiduoda jam kinetinę energiją (teigiamas darbas); jei priešingai – atima (neigiamas darbas).
Mechaninis darbas ir mechaninė energija matuojami tais pačiais vienetais (žiūr. vienetai), paprastai džoulai (J).
Mechaninės energijos išsaugojimo principas
Mechaninės energijos išsaugojimas teigia, kad uždaros sistemos, kurioje veikia tik konservatyvios jėgos (pvz., gravitacija, elastingos jėgos), bendra mechaninė energija lieka pastovi:
ΔE_mech = ΔK + ΔU = 0 arba K_initial + U_initial = K_final + U_final.
Ši taisyklė negalioja, kai mechaninė energija virsta kitomis energijos formomis dėl ne konservatyvių jėgų (pvz., trinties arba oro pasipriešinimo): tokiu atveju mechaninės energijos pokytį aprašome per ne konservatyvių jėgų darbą:
ΔE_mech = W_nc, kur W_nc – ne konservatyvių jėgų atliktas darbas (dažniausiai neigiamas, jeigu energija prarandama į šilumą).
Vis dėlto bendras energijos išsaugojimas visada galioja: mechaniškai prarasta energija nėra sunaikinama — ji pasikeičia į šilumą, garsą, cheminę energiją ir pan. Tai atitinka visuotinio energijos išsaugojimo principą.
Pavyzdžiai ir taikymai
- Sūpynės arba svyruoklė: viršutiniame taške kinetinė energija mažiausia (galbūt nulis), o potencinė – didžiausia; einant per žemiausią tašką kinetinė energija didžiausia. Jei nėra trinties, mechaninė energija nekinta.
- Metamas kamuolys: kylant kinetinė virsta potencine; grįžtant – potencinė virsta kinetine. Oro pasipriešinimas mažina mechaninę energiją (dalis energijos virsta šiluma).
- Spyruoklė: suspaudus spyruoklę, darbas saugomas kaip elastinė potencinė energija; atleidus – dalis šios energijos virsta kinetine.
Papildomi pastebėjimai
- Potencinė energija yra priklausoma nuo atskaitos lygio: tik skirtumai potencinėje energijoje turi fizinę reikšmę.
- Mechaninė energija yra būsenos funkcija sistemoje, t. y. jos vertė priklauso tik nuo sistemos būsenos (padėties ir greičio), o ne nuo to, kaip ši būsena buvo pasiekta.
- Praktikoje inžinerijoje mechaninės energijos analizė padeda apskaičiuoti galios poreikius, energijos nuostolius ir optimizuoti mechanines sistemas.
Santrauka: mechaninė energija apima kinetinę ir potencinę energijas; jos derinys ir kaita leidžia aprašyti kūnų judėjimą ir sistemos būsenas. Mechaninės energijos išsaugojimas galioja tik esant konservatyvioms jėgoms; realiose sistemose reikėtų atsižvelgti į ne konservatyvių jėgų darbą ir energijos transformacijas į kitas formas.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra mechaninė energija?
Atsakymas: Mechaninė energija apibūdina mechaninės sistemos komponentų potencinę ir kinetinę energiją.
K: Kas yra mechaninis darbas?
A: Mechaninis darbas - tai tam tikro mechaninės energijos kiekio perdavimas, pavyzdžiui, metant kamuolį, keliant dėžę, traukiant limonado skardinę ar maišant gėrimą.
K: Kaip matuojama mechaninė energija ir mechaninis darbas?
A: Ir mechaninė energija, ir mechaninis darbas matuojami tais pačiais vienetais kaip ir energija apskritai.
K: Kas yra būsenos funkcija?
A: Būklės funkcija yra tada, kai sistemos komponentas turi tam tikrą mechaninės energijos kiekį.
K: Ką apibūdina "mechaninis darbas"?
A: "Mechaninis darbas" apibūdina mechaninės energijos kiekį, kurį komponentas įgijo arba prarado.
K: Koks yra mechaninės energijos išsaugojimo principas?
A: Mechaninės energijos išsaugojimo principas teigia, kad esant tam tikroms sąlygoms sistemos bendra mechaninė energija yra pastovi.
K: Ar mechaninės energijos išsaugojimo principas galioja, kai mechaninė energija paverčiama kitomis formomis?
Atsakymas: Ne, ši taisyklė negalioja, kai mechaninė energija paverčiama kitomis formomis, pavyzdžiui, chemine, branduoline ar elektromagnetine. Tačiau bendrasis energijos išsaugojimo principas yra nepertraukiama fizikos taisyklė.
Ieškoti