Mehanska energija je vsota energije v mehanskem sistemu ali kateri koli skupini predmetov, ki medsebojno delujejo na podlagi osnovnih mehanskih principov. To vključuje tako kinetično energijo, energijo gibanja, kot potencialno energijo, shranjeno energijo položaja. Običajno je v mehanskem sistemu gravitacija edina glavna zunanja sila, ki jo je treba upoštevati. Nasprotno pa je treba v kemičnem sistemu upoštevati sile med posameznimi molekulami in atomi.
Splošno ozadje
Mehanska energija obstaja v sistemu kot kinetična in potencialna energija. Kinetična energija je prisotna vedno, ko je predmet v gibanju. Potencialna energija temelji na položaju predmeta; je shranjena energija in ne more delati sama. Lahko pa se pretvori v druge oblike energije, vključno s kinetično energijo. Na primer žoga za kegljanje, obešena 10 čevljev (3 m) nad tlemi, nima kinetične energije, ker se ne premika. Vendar pa ima veliko potencialno energijo (v tem primeru gravitacijsko potencialno energijo), ki bi se pretvorila v kinetično energijo, če bi žogica padla.
Srednješolski pouk fizike se pogosto začne z poučevanjem študentov o osnovnih principih mehanskih sistemov in njihove energije. To je zato, ker jih je običajno lažje vizualizirati in jih je enostavno poenostaviti. Osnovne izračune o teh sistemih je mogoče narediti brez uporabe računanja. Pri večini preprostih fizičnih problemov mehanski sistem ostane zaprt in dejavniki, ki bi običajno odstranili energijo iz sistema, kot sta trenje in zračni upor, se prezrejo.
Kako izračunati mehansko energijo
Skupno mehansko energijo je mogoče izračunati preprosto tako, da seštejemo potencialno in kinetično energijo sistema. Potencialna energija (PE) je zmnožek višine predmeta nad tlemi (h), njegove mase (m) in zemeljskega gravitacijskega pospeška (g, kar je 9.8 m/s2).
PE = h × m × g
Kinetična energija predmeta (KE) je produkt 1/2 njegove mase in kvadratne hitrosti (v).
KE = 1/2mv2
Masa je podana v kilogramih (kg), višina v metrih (m), hitrost v metrih na sekundo (m/s), energija pa v džulih (j).
Na primer, potencialna energija 5 kilogramske (11 lbs) žoge za kegljanje, ki je 3 metre (10 ft) nad tlemi, je 147 joulov (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j), ne glede na to, ali je žoga v gibanju ali v mirovanju. Če tudi ta kroglica pada s hitrostjo 2 m/s, je njena kinetična energija 10 joulov (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Ko sta znani potencialna in kinetična energija, lahko najdemo celotno mehansko energijo. Obe vrsti energije se preprosto seštejeta.
Mehanska energija = PE + KE
V tem primeru je skupna mehanska energija žogice 157 joulov (147 j + 10 j = 157 j).
Mehanska v primerjavi s kemično in jedrsko energijo
Obstaja veliko drugih oblik energije in včasih je težko pravilno razlikovati eno od druge. Kemična energija je na primer tista energija, shranjena v kemičnih vezi v molekulah. Jedrska energija je energija, prisotna pri interakcijah med delci v jedru atoma. Nasprotno pa mehanska energija na splošno ignorira sestavo predmetov in gleda samo na zadevne predmete, brez skrbi za njihovo molekularno sestavo.
Ta fokus je zasnovan za poenostavitev izračunov za mehansko energijo in mehanske sisteme. Predmeti v teh sistemih se običajno obravnavajo kot posamezni objekti namesto kot vsota milijard molekul. Izračun tako kinetične kot potencialne energije posameznega predmeta je preprosta naloga; izračunavanje te vrste energije za milijarde molekul bi bilo izjemno težko. Ne da bi poenostavili dele v mehanskem sistemu, bi morali znanstveniki preučiti posamezne atome ter vse interakcije in sile, ki obstajajo med njimi. To je običajno rezervirano za fiziko delcev.
Pretvorba med vrstami energije
Mehansko energijo je mogoče pretvoriti v druge vrste energije z uporabo posebne opreme. Na primer, generatorji so zasnovani tako, da prevzamejo mehansko delo in ga pretvorijo v električno energijo. Druge vrste energije se lahko pretvorijo tudi v mehansko energijo; na primer motor z notranjim zgorevanjem v avtomobilu pretvarja kemično energijo v gorivu v mehansko energijo, ki se uporablja za premikanje avtomobila.