مفهوم انرژی مکانیکی

مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی هر جسم نسبت به محیط و نیز میتوانیم قانون بقای انرژی مکانیکی را مطرح کنیم. انرژی مکانیکی به یکی از انواع متمایز انرژی نسبت به دیگر انواع انرژی مثل انرژی الکترومغناطیسی ، هستهای ، اتمی و یا شیمیایی است. که همیشه با مکان حرکت یا حرکت ماده یا جسم مادی سر و کار دارد. انرژی مکانیکی به دو صورت جنبشی و پتانسیل هستند.

قانون پایستگی انرژی مکانیکی

قانونی که بنا به آن ، در هر دستگاه پایستار ، انرژی مکانیکی کل پایسته (ثابت) است. یعنی اگر دستگاهی بدون اصطکاک یا مقاومت هوا باشد، مجموع انرژیهای پتانسیل و جنبشی آن ثابت است.

سیر تحولی و رشد

با آنکه قضیه کار - انرژی مستقیما از قانون دوم نیوتن بدست میآید، اما بد نیست یادآوری شود که مفهوم انرژی در زمان نیوتن هنوز ابداع نشده بود. تقریبا غیر ممکن است که بتوانیم مفهوم انرژی را بدون در نظر گرفتن مفهوم کار ، که رابطه تنگاتنگی با آن دارد به تصویر در آوریم. کار عبارت است از حاصل ضرب نیروی وارد بر بک جسم (F) و جابه جایی آن جسم (d) در اینجا F مؤلفهای از نیرو است که باجابجایی موازی است

انرژی پتانسیل مکانیکی

اصطلاح انرژی مکانیکی برای توصیف وضعیتی بکار میرود که در آن یک جسم یا بخاطر موقعیت یا مکانش توانایی انجام کار دارد و نمونهای از جسمی که بخاطر مکانش دارای انرژی پتانسیل است نشان داده میشود.به طورمثال اگر گلوله ای به جرم m که درست بالای سر بیضی که گلوله را نگه داشته است ناگهان رها بشود. گلوله روی میخ میافتد و آنرا بیشتر در تخته فرو میبرد. از دیدگاه علمی ، میگوییم گلوله قبل از فرو افتادن انرژی پتانسیل گرانشی داشته است.

در اینجا دلیل استفاده از اصطلاح انرژی پتانسیل ، g انرژی پتانسیل به معنی انرژی ذخیرهای و بالقوه برای ما روشین میشود. انرژی موجود در گلوله تا پیش از رها شدن آشکار شدنی نیست. مقدار انرژی پتانسیل گلوله پیش از این که رها بشود برابر است با mgH، در حقیقت کمیت mgH درست همان کاری است که درصورت سقوط گلوله از ارتفاع H ، نیروی گرانی میتواند روی گلوله انجام بدهد.

انرژی پتانسیل گرانشی

با آنکه گلوله پتانسیل انجام کار (یعنی فرو رفتن میخ در تخته) را دارد. اما تا وقتی که به علاوه ، ان انرژی پتانسیل کاری را به دلیل گرانشی می گویند که به محل رها شدن گلوله نیروی وزن mg گلوله شتاب میدهد.

انرژی جنبشی مکانیکی

گلوله همین که شروع به سقوط کرد انرژی جنبشی کسب میکند، که در واقع انرژی ناشی از حرکت گلوله است. اکنون انرژی مکانیکی گلوله ناگهان آشکار میشود. قطعا هر کس که شاهد سقوط گلولهای سنگین بوده باشد خیلی زود انرژی آنرا حس کرده است. مقدار انرژی جنبشی گلوله برابر است با: mV2/2 که در آن v سرعت گلوله است. البته موقعی که گلوله سقوط میکند میگوییم انرژی پتانسیل از دست میدهد (چون ارتفاعش کم میشود) و انرژی جنبشی بدست میآورد (چون مداوم سرعتش زیاد میشود).

نکتهای در مورد انرژی پتانسیل و جنبشی

یک نکته مهم درباره این دو صورت انرژی این است که مجموع آنها تقریبا ثابت میماند. به این دلیل میگوییم تقریبا ثابت که کمی از انرژی گلوله ، در حین سقوط ، بخاطر برخورد با مولکولهای هوا تبدیل به گرما میشود (در اجسامی مانند شهاب سنگها که با سرعتهای خیلی زیاد سقوط میکنند، مقداری زیاد از انرژی پتانسیل تبدیل به گرما میشود). پس در جایی که هوا وجود نداشته باشد مثل سطح کره ماه یا داخل محفظهای خلأ ، میتوانیم بگوییم که مجموع انرژیهای پتانسیل و جنبشی ثابت میماند. به صورت ریاضی میتوانیم mgh + 1/2 mv2 = mgH که در آن h عبارت است از ارتفاع گلوله از بالای تخته در لحظهای که سرعتش برابر v میشود. در پایان و به ارتباط میان انرژی و کار باز میگردیم