تعریف
انرژی مکانیکی مجموع انرژیهای پتانسیل و جنبشی است که با هر سیستم همراه است. انرژی پتانسیل، انرژی نهفتهای است که به دلیل ماهیت پیکربندی سیستم و وجود نیرویی، در داخل هر سیستم فیزیکی ذخیره میشود. این انرژی بستگی به موقعیت بخشهای مختلف در یک سیستم و خصوصیات ذاتی ماده مانند بار و جرم دارد.از طرف دیگر، انرژی پویایی یا جنبشی، انرژیای است که به دلیل حرکت، هر جسم یا سیستم فیزیکی در اختیار دارد. این شکل فعال شده انرژی پتانسیل یک سیستم است.
مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی یک سیستم، انرژی مکانیکی خالص سیستم است. نادرست است که بگوییم این انرژی چیزی است که فقط با ماشینها در ارتباط است. این کلیتِ کلیه اشکال انرژی مرتبط با یک سیستم است. انرژی پتانسیل، انرژی نهفتهای است که به دلیل ماهیت پیکربندی سیستم و وجود نیرویی، در داخل هر سیستم فیزیکی ذخیره میشود. این سیستم هر چیزی میتواند باشد، از یک توپ پرتاب شده در هوا گرفته تا یک مولکول آب یا فقط یک هسته اتمی. انرژی در سیستم آحادSI ، با ژول اندازه گیری میشود.
فرمول
خودِ تعریف باید فرمول را برای شما کاملاً روشن کند.انرژی مکانیکی یک سیستم = کل انرژی پتانسیل ذخیره شده در سیستم (V) + انرژی جنبشی سیستم (T)
عبارات خاص برای انرژیهای پتانسیل و جنبشی یک سیستم وابسته به پیکربندی ویژه سیستم و نیروهای کار در آن است. در فیزیک پیشرفته یا مکانیک کلاسیک، مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل، با عنوان "همیلتونی" معروف است.
اصل بقا
این یک واقعیت شناخته شده در طبیعت است که هر تعامل به گونهای رخ میدهد که مجموع انرژی مکانیکی، قبل و بعد از تعامل، در یک سیستم مجزا شده یکسان باقی بماند. اصل را می توان به شرح زیر بیان کرد:V1 + T1 = V2 + T2
که در آن V1 انرژی پتانسیل قبل از تعامل است،T1 انرژی پویایی قبل از تعامل است، V2 انرژی پتانسیل پس از تعامل و T2 انرژی پویایی پس از تعامل است. به عنوان نمونه اسلحهای را قبل و بعد از شلیک گلوله در نظر بگیرید. انرژی مکانیکی گلوله و اسلحه، قبل و بعد از شلیک باید یکسان باشد. این اصل بقای انرژی باعث میشود اسلحه پس از شلیک دارای پس زنی باشد. برای فهمیدن علت، قبل و بعد از شلیک، معادله بقای انرژی گلوله و اسلحه را تنظیم کنید
.
با استفاده از اصل بقای انرژی، میتوانید بسیاری از مسائل پیچیده در فیزیک را حل کنید. تمام کاری که شما باید انجام دهید این است که قبل و بعد از هرگونه تعامل، تعادل انرژی را حفظ کنید و آنها را برای به دست آوردن جواب، برابر قرار دهید. این اصول بقا در طبیعت ساخته شده است و همه چیز مطابق با آنها عمل میکند. هرچه در مطالعه فیزیک عمیقتر شوید، میتوانید از زیبایی ذاتی قوانین فیزیکی لذت ببرید.
میتوان گفت تقریباً تمام فیزیک مطالعه انرژی و مظاهر آن است. هنگامی که ماده در یک چارچوب مرجع اینرسی ساکن است، انرژی موجود در آن، صرفاً به نمایندگی از موقعیت آن، به صورت انرژی پتانسیل شناخته میشود، در حالی که انرژی موجود در هنگام حرکت، به عنوان انرژی جنبشی شناخته میشود.
در واقع یکی از مفاهیم گریزان که در فیزیک باید درک شود انرژی است. انرژی اشکال مختلفی به خود میگیرد و هر آنچه در این جهان اتفاق میافتد، تغییری در انرژی به صورت ظریف یا عمده است. برای محاسبه آن در هر یک از اشکال آن فرمولی وجود دارد.
به طور واضح، انرژی جنبشی به دلیل حرکت توسط یک شیء نسبت به یک چارچوب مرجع در اختیار شما قرار میگیرد. این انرژی در واقع میزان کار مورد نیاز است برای تسریع یک شیء از حالت سکون خود تا سرعت خاصی که جسم دارد. این مقدار، انرژی اضافیای است که به خاطر کاری که در تسریع آن انجام میشود، به دست میآورد. اتصال به حرکت، همیشه در فرمول خود یک مؤلفه سرعت دارد. کلمه "جنبشی" به طور مناسب انتخاب شده است، آن گونه که از کلمه یونانی Kinesis به معنی حرکت ناشی میشود.
در حال حاضر دو روش مکانیک وجود دارد که معمولاً آنها را مطالعه میکنیم. یکی مکانیک کلاسیک نیوتنی و دیگری مکانیک نسبیتی است. مکانیک نسبیتی بر مکانیک نیوتنی، که تنها در صورتی مفید است که سرعت اجسام بسیار کمتر از سرعت نور باشد، ارجحیت دارد.
فرمول انرژی جنبشی یک جرم نقطهای صلب با سرعت غیر نسبیتی (سرعتی بسیار کمتر از سرعت نور) به شرح زیر است:
(KE) = ½ M V2
در اینجا، (KE) انرژی جنبشی است و"M" جرم نقطهای (به کیلوگرم) یا جرم جسم صلب و "V" سرعت (m / sec) است که جسم با آن حرکت میکند. واحد انرژی "ژول" است.
از آن جا که سرعت خطی جسم در فرمول مربع میشود و جرم به صورت یک جمله خطی ظاهر میشود، با افزایش سرعت و افزایش جرم، انرژی جنبشی به سرعت افزایش مییابد. جسم سنگینتر و سریعتر، انرژی جنبشی بیشتری را با خود حمل خواهد کرد.
بگذارید استفاده از این فرمول را با یک مثال نشان دهیم.
در نظر بگیرید که یک جسم با جِرم 80 کیلوگرم با سرعت 40 متر بر ثانیه در حال حرکت است. برای محاسبه مقدار انرژی جنبشی آن شیء با استفاده از فرمول فوق، شما باید مقدار سرعت و جرم را در فرمول بالا جایگزین کنید. اگر این مقادیر را جایگزین کنید، خواهید داشت:
انرژی جنبشی جسم = نصف 80 کیلوگرم ضرب در 40 متر بر ثانیه ضرب در 40 متر بر ثانیه = 64000 ژول
همان طور که مشاهده میکنید، موضوع به سادگی دادنِ مقادیر و محاسبه است.
این فرمول در مکانیک نسبیتی که در آن با سرعتهای زیاد سر و کار داریم به کار نمیآید. در واقع بسیاری از مفاهیم فیزیک کلاسیک از جمله بقای انرژی در مکانیک نسبیتی دستخوش تغییر میشود و نتیجه گرفته میشود که بر حسب معادله معروف انیشتن در صورتی که جرمی ناپدید شود به انرژی تبدیل شده است و همین طور برعکس.
منبع: امکار فاتاک
