Energia mecanică este suma energiei dintr-un sistem mecanic sau din orice grup de obiecte care interacționează pe baza principiilor mecanice de bază. Aceasta include atât energia cinetică, energia mișcării, cât și energia potențială, energia stocată a poziției. De obicei, într-un sistem mecanic, gravitația este singura forță exterioară majoră care trebuie luată în considerare. Într-un sistem chimic, dimpotrivă, forțele dintre moleculele și atomii individuali trebuie luate în considerare.
Fundal general
Energia mecanică există atât ca energie cinetică, cât și ca energie potențială într-un sistem. Energia cinetică este prezentă ori de câte ori un obiect este în mișcare. Energia potențială se bazează pe poziția unui obiect; este energie stocată și nu poate lucra pe cont propriu. Cu toate acestea, poate fi convertit în alte forme de energie, inclusiv în energia cinetică. O minge de bowling suspendată la 10 picioare (3 m) deasupra solului, de exemplu, nu are energie cinetică deoarece nu se mișcă. Cu toate acestea, are o cantitate mare de energie potențială (în acest caz, energie potențială gravitațională) care ar fi convertită în energie cinetică dacă mingea ar fi lăsată să cadă.
Orele de fizică din liceu încep adesea prin instruirea elevilor despre principiile de bază ale sistemelor mecanice și energia lor. Acest lucru se datorează faptului că sunt de obicei mai ușor de vizualizat și ușor de simplificat. Calculele de bază despre aceste sisteme pot fi făcute fără utilizarea calculului. În majoritatea problemelor simple de fizică, sistemul mecanic rămâne închis și factorii care ar elimina în mod normal energia din sistem, cum ar fi frecarea și rezistența aerului, sunt ignorați.
Cum se calculează energia mecanică
Energia mecanică totală poate fi calculată pur și simplu prin adăugarea energiei potențiale și cinetice a sistemului. Energia potențială (PE) este un produs dintre înălțimea obiectului deasupra solului (h), masa acestuia (m) și accelerația gravitațională a Pământului (g, care este de 9.8 m/s2).
PE = h × m × g
Energia cinetică a unui obiect (KE) este produsul dintre 1/2 din masa sa și viteza sa pătrată (v).
KE = 1/2mv2
Masa este dată în kilograme (kg), înălțimea în metri (m), viteza în metri pe secundă (m/s), iar energia este dată în jouli (j).
De exemplu, energia potențială a unei mingi de bowling de 5 kilograme (11 lbs) care se află la 3 metri (10 ft) deasupra solului este de 147 jouli (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j), indiferent dacă mingea se află în mișcare sau în repaus. Dacă acea bilă cade și cu o viteză de 2 m/s, energia sa cinetică este de 10 jouli (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Odată ce energia potențială și cinetică sunt cunoscute, atunci poate fi găsită energia mecanică totală. Cele două tipuri de energie sunt pur și simplu adăugate împreună.
Energie mecanică = PE + KE
În acest exemplu, energia mecanică totală a mingii de bowling este de 157 jouli (147 j + 10 j = 157 j).
Energie mecanică vs. chimică și nucleară
Există multe alte forme de energie și uneori poate fi dificil să distingem corect una de alta. Energia chimică, de exemplu, este acea energie stocată în legăturile chimice din molecule. Energia nucleară este energia prezentă în interacțiunile dintre particulele din nucleul unui atom. Energia mecanică, în schimb, ignoră în general compoziția obiectelor și privește numai obiectele în cauză, fără a se preocupa de alcătuirea lor moleculară.
Acest focus este conceput pentru a simplifica calculele pentru energia mecanică și sistemele mecanice. Obiectele din aceste sisteme sunt de obicei tratate ca obiecte individuale, nu ca suma de miliarde de molecule. Calcularea energiei cinetice și potențiale a unui singur obiect este o sarcină simplă; calcularea acestor tipuri de energie pentru miliarde de molecule ar fi extrem de dificilă. Fără a simplifica piesele dintr-un sistem mecanic, oamenii de știință ar trebui să examineze atomii individuali și toate interacțiunile și forțele existente între ei. Acest lucru este de obicei rezervat pentru fizica particulelor.
Conversie între tipuri de energie
Energia mecanică poate fi convertită în alte tipuri de energie folosind echipamente speciale. De exemplu, generatoarele sunt proiectate să preia lucrări mecanice și să o transforme în energie electrică. Alte tipuri de energie pot fi, de asemenea, convertite în energie mecanică; de exemplu, motorul cu ardere internă dintr-o mașină transformă energia chimică din combustibil în energia mecanică folosită pentru a face mașina să se miște.