Mekaaninen energia on mekaanisen järjestelmän tai minkä tahansa esineiden ryhmän, joka on vuorovaikutuksessa mekaanisten perusperiaatteiden perusteella, energian summa. Tämä sisältää sekä kineettisen energian, liikeenergian että potentiaalienergian, sijainnin tallennetun energian. Tyypillisesti mekaanisessa järjestelmässä painovoima on ainoa suuri ulkopuolinen voima, joka on otettava huomioon. Sitä vastoin kemiallisessa järjestelmässä on otettava huomioon yksittäisten molekyylien ja atomien väliset voimat.
Yleinen tausta
Mekaaninen energia on olemassa sekä kineettisenä että potentiaalisena energiana järjestelmässä. Kineettinen energia on läsnä aina, kun kohde on liikkeessä. Potentiaalienergia perustuu kohteen sijaintiin; se on varastoitua energiaa eikä voi tehdä työtä yksin. Se voidaan kuitenkin muuntaa muuksi energiamuodoksi, mukaan lukien kineettinen energia. Esimerkiksi 10 metriä maanpinnan yläpuolelle ripustettu keilapallo ei kineettistä energiaa, koska se ei liiku. Siinä on kuitenkin suuri määrä potentiaalienergiaa (tässä tapauksessa gravitaatiopotentiaalienergiaa), joka muuttuisi kineettiseksi energiaksi, jos pallon annettaisiin pudota.
Lukion fysiikan tunnit alkavat usein ohjaamalla oppilaita mekaanisten järjestelmien perusperiaatteista ja niiden energiasta. Tämä johtuu siitä, että ne on yleensä helpompi visualisoida ja helppo yksinkertaistaa. Näiden järjestelmien peruslaskelmat voidaan tehdä ilman laskentaa. Useimmissa yksinkertaisissa fysiikan ongelmissa mekaaninen järjestelmä pysyy suljettuna ja tekijät, jotka normaalisti poistavat järjestelmästä energiaa, kuten kitka ja ilmanvastus, jätetään huomiotta.
Kuinka laskea mekaaninen energia
Kokonaismekaaninen energia voidaan laskea yksinkertaisesti lisäämällä järjestelmän potentiaali- ja liike -energia. Potentiaalienergia (PE) on tulo kohteen korkeudesta maanpinnan yläpuolella (h), massasta (m) ja Maan painovoimakiihtyvyydestä (g, joka on 9.8 m/s2).
PE = h × m × g
Kohteen liike -energia (KE) on 1/2 sen massasta ja sen neliönopeudesta (v).
KE = 1/2 mv2
Massa ilmoitetaan kilogrammoina (kg), korkeus metreinä (m), nopeus metreinä sekunnissa (m/s) ja energia jouleina (j).
Esimerkiksi 5 metrin (11 lbs) keilapallo, joka on 3 metriä (10 jalkaa) maanpinnan yläpuolella, potentiaalienergia on 147 joulea (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j), onko pallo paikallaan liikkeessä tai levossa. Jos pallo myös putoaa nopeudella 2 m/s, sen liike -energia on 10 joulea (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Kun potentiaalinen ja liike -energia on tiedossa, mekaaninen kokonaisenergia voidaan löytää. Nämä kaksi energialajia yhdistetään yksinkertaisesti yhteen.
Mekaaninen energia = PE + KE
Tässä esimerkissä keilapallon kokonaismekaaninen energia on 157 joulea (147 j + 10 j = 157 j).
Mekaaninen vs. kemiallinen ja ydinenergia
On monia muita energiamuotoja, ja joskus voi olla vaikeaa erottaa ne oikein toisistaan. Esimerkiksi kemiallinen energia on energiaa, joka varastoituu molekyylien kemiallisiin sidoksiin. Ydinvoima on energia, joka on läsnä atomien ytimen hiukkasten välisissä vuorovaikutuksissa. Mekaaninen energia sitä vastoin yleensä jättää kohteiden koostumuksen huomiotta ja katsoo vain kyseisiä esineitä välittämättä niiden molekyylipohjasta.
Tämä painopiste on suunniteltu yksinkertaistamaan mekaanisen energian ja mekaanisten järjestelmien laskelmia. Näiden järjestelmien kohteita käsitellään yleensä yksittäisinä kohteina miljardien molekyylien summan sijasta. Yhden esineen liike- ja potentiaalienergian laskeminen on yksinkertainen tehtävä; Tämän tyyppisen energian laskeminen miljardeille molekyyleille olisi erittäin vaikeaa. Yksinkertaistamatta mekaanisen järjestelmän osia tutkijoiden olisi tutkittava yksittäiset atomit ja kaikki niiden väliset vuorovaikutukset ja voimat. Tämä on yleensä varattu hiukkasfysiikalle.
Muuntaminen energiatyyppien välillä
Mekaaninen energia voidaan muuntaa muuntyyppiseksi energiaksi erityislaitteilla. Esimerkiksi generaattorit on suunniteltu ottamaan mekaanista työtä ja muuttamaan se sähköksi. Muunlaiset energiat voidaan myös muuttaa mekaaniseksi energiaksi; Esimerkiksi auton polttomoottori muuntaa polttoaineen kemiallisen energian mekaaniseksi energiaksi, jota käytetään auton liikuttamiseen.