I tidligere artikler analyserede vi grundigt kinetisk energi og alt relateret til det. I dette tilfælde fortsætter vi med træningen og fortsætter med at studere mekanisk energi. Denne type energi er det, der produceres af en krops arbejde og kan overføres mellem andre legemer. Mekanisk energi er summen af kinetisk energi (bevægelse) med elastisk og/eller gravitationel potentiel energi, genereret ved vekselvirkning mellem legemer afhængigt af deres position.
I denne artikel vil vi forklare, hvordan mekanisk energi virker, hvordan man beregner den og nogle eksempler og anvendelser. Hvis du vil forstå dette koncept klart og enkelt, så fortsæt med at læse.
Forklaring af mekanisk energi
Lad os tage et eksempel for at forklare mekanisk energi. Forestil dig, at vi kaster en bold fra en bestemt højde. Under kastet har bolden Kinetisk energi på grund af sin bevægelse, mens den er i luften, tilegner den sig også gravitationel potentiel energi på grund af dens position i forhold til jorden. Når den stiger, stiger den potentielle energi, og efterhånden som den falder, omdannes den potentielle energi til kinetisk energi.
Armen, der driver bolden, arbejder på den og overfører kinetisk energi til den. Hvis vi forsømmer friktion med luften, vil bolden bevare sin samlede mekaniske energi, som er summen af den kinetiske og potentielle energi. Faktisk kan den mekaniske energi i et system forblive konstant, når der ikke er modstandskræfter såsom friktion.
Det er vigtigt at huske, at tyngdekraft Det er en konstant kraft (9,8 m/s² på Jorden) og virker altid på objekter. Den beregnede mekaniske energi vil således være resultatet af samspillet mellem et legemes hastighed, masse og højde. Måleenheden for mekanisk energi er juli (J), ifølge International System of Units.
Formel for mekanisk energi
Den mekaniske energi (Em) er summen af kinetisk energi (Ec) og potentiel energi (Ep). Matematisk kan det udtrykkes på følgende måde:
Em = Ec + Ep
For at beregne Kinetisk energi (Ec), bruger vi formlen:
- Ec = 1/2 mv²
Donde m er kroppens masse og v er hastigheden.
Som for gravitationel potentiel energi (Ep), formlen er:
- Ep = mgh
Donde m er massen, g er accelerationen forårsaget af tyngdekraften og h højden.
På denne måde kan du beregne dens mekaniske energi, hvis du kender massen af objektet, dets hastighed og højden, hvorfra det affyres.
Princippet om bevarelse af mekanisk energi
Et grundlæggende princip i fysik er det, der siger det Energi bliver hverken skabt eller ødelagt, men transformeret. Dette er kendt som princippet om energibesparelse. I tilfælde af mekanisk energi er dette princip gyldigt, hvis systemet er isoleret, det vil sige, hvis der ikke er nogen ikke-konservative kræfter såsom friktion.
Hvis vi kaster en bold op i luften, vil dens kinetiske energi på dets højeste punkt være nul, men dens gravitationelle potentielle energi vil være maksimal. Når den falder ned, omdannes potentiel energi til kinetisk energi. Gennem hele denne proces forbliver systemets samlede mekaniske energi konstant.
Den matematiske ligning, der beskriver dette princip, er følgende:
Em = Ec + Ep = konstant
I virkelige systemer ændrer tilstedeværelsen af friktion og andre ikke-konservative kræfter denne ligning, hvilket forårsager, at noget af energien spredes som varme eller andre typer. Alligevel forbliver dette princip nyttigt til analyse af adskillige fysiske systemer.
Eksempler på øvelser
Lad os se på nogle øvelser for at illustrere, hvordan man anvender begreberne beskrevet ovenfor:
-
- Vælg den forkerte mulighed:
- a) Kinetisk energi er den energi et legeme har fra at være i bevægelse.
- b) Gravitationspotentialenergi er den energi, som et legeme har, fordi det er placeret i en bestemt højde.
- c) Et legemes samlede mekaniske energi forbliver konstant, selv i nærvær af friktion.
- d) Universets energi er konstant og transformeres kun.
- e) Når en krop har kinetisk energi, kan den udføre arbejde.
- Vælg den forkerte mulighed:
Den forkerte mulighed er (C). Mekanisk energi bevares ikke i nærvær af friktion, da noget af det spredes som varme.
- En bus med dej m ned ad en skråning med konstant hastighed. Chaufføren holder bremserne nede, hvilket begrænser bussens hastighed, selvom den er på vej ned fra en højde h. Svar om følgende udsagn er sande eller falske:
- Ændringen i bussens kinetiske energi er nul.
- Bus-Ground-systemets mekaniske energi bevares.
- Bus-Jord-systemets samlede energi bevares, selvom noget omdannes til intern energi.
I dette tilfælde er det rigtige svar V, F, V. Den kinetiske energi varierer ikke, fordi hastigheden er konstant; Imidlertid bevares mekanisk energi ikke på grund af stigningen i systemets indre energi forårsaget af friktion.
Disse eksempler illustrerer vigtigheden af at forstå, hvordan kræfter og energi interagerer i forskellige sammenhænge. Mekanisk energi er nøglen i mange hverdagsapplikationer, lige fra at flytte et køretøj til at hoppe af en trampolin.
Den korrekte forståelse af mekanisk energi er ikke kun nyttig til at bestå eksamener, men også til at forstå fænomenerne i verden omkring os.