V předchozích článcích jsme důkladně analyzovali Kinetická energie a vše, co s tím souvisí. V tomto případě pokračujeme v tréninku a pokračujeme ve studiu mechanická energie. Tento druh energie je to, co je produkováno prací tělesa a může být přenášeno mezi jinými tělesy. Mechanická energie je součtem kinetické energie (pohybu) s elastickou a/nebo gravitační potenciální energií, vznikající interakcí těles v závislosti na jejich poloze.
V tomto článku vysvětlíme, jak mechanická energie funguje, jak ji vypočítat a některé příklady a aplikace. Pokud chcete tomuto pojmu jasně a jednoduše porozumět, pokračujte ve čtení.
Vysvětlení mechanické energie
Vezměme si příklad pro vysvětlení mechanické energie. Představte si, že házíme míčem z určité výšky. Při hodu má míček Kinetická energie svým pohybem, při pobytu ve vzduchu také získává gravitační potenciální energie kvůli jeho poloze vzhledem k zemi. Jak stoupá, potenciální energie roste, a jak klesá, tato potenciální energie se přeměňuje na kinetickou energii.
Rameno, které pohání míč, na něm pracuje a přenáší na něj kinetickou energii. Pokud zanedbáme tření se vzduchem, bude si míč šetřit svou celkovou mechanickou energii, která je součtem kinetické a potenciální energie. Ve skutečnosti může mechanická energie systému zůstat konstantní, když neexistují žádné odporové síly, jako je tření.
Je důležité si uvědomit, že gravitace Je to konstantní síla (9,8 m/s² na Zemi) a vždy působí na předměty. Vypočtená mechanická energie tedy bude výsledkem interakce mezi rychlostí, hmotností a výškou tělesa. Jednotkou měření mechanické energie je červenec (J), podle Mezinárodní soustavy jednotek.
Vzorec mechanické energie
Mechanická energie (Em) je součtem kinetická energie (Ec) a potenciální energie (Ep). Matematicky to lze vyjádřit následujícím způsobem:
Em = Ec + Ep
Pro výpočet Kinetická energie (Ec), použijeme vzorec:
- Ec = 1/2 mv²
kde m je hmotnost těla a v je rychlost.
Vzhledem k tomu, gravitační potenciální energie (Ep), vzorec je:
- Ep = mgh
kde m je hmotnost, g je zrychlení způsobené gravitací a h výška.
Tímto způsobem, pokud znáte hmotnost objektu, jeho rychlost a výšku, ze které je vypuštěn, můžete vypočítat jeho mechanickou energii.
Princip zachování mechanické energie
Základní princip ve fyzice je ten, který to říká Energie se nevytváří ani neničí, ale přeměňuje se. Toto je známé jako princip zachování energie. V případě mechanické energie je tento princip platný, pokud je systém izolovaný, to znamená, že neexistují žádné nekonzervativní síly, jako je tření.
Pokud vyhodíme míč do vzduchu, v jeho nejvyšším bodě bude jeho kinetická energie nulová, ale jeho gravitační potenciální energie bude maximální. Při sestupu se potenciální energie přeměňuje na kinetickou energii. Během tohoto procesu zůstává celková mechanická energie systému konstantní.
Matematická rovnice, která popisuje tento princip, je následující:
Em = Ec + Ep = konstantní
V reálných systémech přítomnost tření a jiných nekonzervativních sil mění tuto rovnici, což způsobuje, že část energie je rozptýlena jako teplo nebo jiné typy. I tak zůstává tento princip užitečný pro analýzu mnoha fyzikálních systémů.
Příklady cvičení
Podívejme se na některá cvičení, která ilustrují, jak aplikovat výše popsané koncepty:
-
- Vyberte špatnou možnost:
- a) Kinetická energie je energie, kterou má tělo z pohybu.
- b) Gravitační potenciální energie je energie, kterou má těleso, protože se nachází v určité výšce.
- c) Celková mechanická energie tělesa zůstává konstantní i za přítomnosti tření.
- d) Energie vesmíru je konstantní a pouze se transformuje.
- e) Když má těleso kinetickou energii, může pracovat.
- Vyberte špatnou možnost:
Špatná možnost je (C). Mechanická energie se v přítomnosti tření neuchovává, protože část z ní se rozptýlí jako teplo.
- Autobus s těstem m sjíždí ze svahu konstantní rychlostí. Řidič drží sešlápnuté brzdy, čímž omezuje rychlost autobusu, i když klesá z výšky h. Odpovězte, zda jsou následující tvrzení pravdivá nebo nepravdivá:
- Změna kinetické energie autobusu je nulová.
- Mechanická energie systému sběrnice-zem je zachována.
- Celková energie systému sběrnice-Země je zachována, i když část je přeměněna na vnitřní energii.
V tomto případě je správná odpověď V, F, V. Kinetická energie se nemění, protože rychlost je konstantní; Mechanická energie se však nešetří v důsledku zvýšení vnitřní energie systému způsobeného třením.
Tyto příklady ilustrují důležitost pochopení toho, jak síly a energie interagují v různých kontextech. Mechanická energie je klíčová v mnoha každodenních aplikacích, od pohybu vozidla až po skákání z trampolíny.
Správné pochopení mechanické energie je užitečné nejen pro složení zkoušek, ale také pro pochopení jevů světa kolem nás.