L’energia meccanica ci circonda nel mondo naturale e nelle macchine che costruiamo. Guardati intorno e l’energia meccanica si trova ovunque.
Ci sono molti tipi di energia meccanica, da un adolescente che va in bicicletta al liceo a una palla da demolizione che demolisce una casa.
Continua a leggere e scopri di più sull’energia meccanica.
Che cos’è l’energia meccanica?
Per prima cosa, consideriamo cos’è l’energia. L’energia è la capacità di fare lavoro. Ci sono molte forme di energia e l’energia meccanica è una di queste.
L’energia meccanica è definita come la capacità di un oggetto di fare lavoro. La quantità di lavoro che un oggetto può fare dipende da due cose: la sua posizione e il suo movimento.
Dobbiamo capire di più su come la posizione e il movimento di un oggetto influenzano la sua energia prima di esaminare ulteriormente l’energia meccanica.
Che cos’è l’energia potenziale?
L’energia potenziale è l’energia della posizione, chiamata anche energia immagazzinata. La sua energia esiste a causa della posizione degli oggetti l’uno rispetto all’altro. Vale a dire, l’energia dell’oggetto cambia quando la posizione dell’oggetto cambia o quando l’oggetto sposta la posizione.
Ad esempio, un libro sul pavimento ha relativamente poca energia potenziale — ha una capacità minima di muoversi da solo o interagire con altri oggetti fermi o in movimento. Ora, solleviamo quel libro e lo bilanciamo sul bordo di uno scaffale. Ha molta più energia potenziale a questo punto. Perché? Perché il libro potrebbe cadere e schiacciare un bug che passa, o ferire il dito del piede, o fare un forte botto quando colpisce il pavimento.
Abbiamo dato al libro energia potenziale gravitazionale. Il libro è tenuto in posizione verticale dallo scaffale. Le forze gravitazionali della Terra hanno dato al libro la sua energia immagazzinata di posizione, o energia potenziale. Supponiamo che la massa dell’oggetto sia maggiore. In tal caso, scambia il libro per un manubrio da 10 libbre: anche l’energia potenziale gravitazionale dell’oggetto aumenta.
Esiste una seconda forma di energia potenziale correlata all’energia meccanica chiamata energia potenziale elastica. Questa è energia potenziale che viene immagazzinata in un oggetto che può essere compresso o allungato.
Pensa a un arciere che allunga la corda elastica su un arco. La corda tesa ha energia potenziale elastica. Una volta rilasciato, la corda elastica spingerà una freccia in avanti.
Sia le energie potenziali gravitazionali che quelle elastiche sono energie di posizione e fattori altrettanto importanti quando si parla di energia meccanica.
Che cos’è l’energia cinetica?
L’energia cinetica si riferisce all’energia del movimento e del movimento. Ripensa al nostro esempio del libro, bilanciato su uno scaffale, pieno di energia potenziale.
Se il libro cade a terra, ha energia cinetica durante la caduta — l’energia del libro cambia da quella dell’energia potenziale ad energia cinetica (movimento). È lo stesso con la freccia — la sua energia potenziale in un arco disegnato diventa energia cinetica quando la freccia spara e si muove attraverso l’aria.
Comprendere l’energia meccanica, l’energia potenziale e l’energia cinetica
Come accennato, l’energia meccanica è la capacità di un oggetto di fare lavoro. È anche la somma dell’energia potenziale di un oggetto (gravitazionale o elastico) e della sua energia cinetica. Scopriamo come tutti e tre interagiscono.
La legge di conservazione dell’energia afferma che l’energia non può essere creata o distrutta. L’energia può solo convertirsi da una forma di energia in un’altra.
Questa legge è vitale per l’energia meccanica perché significa che possiamo capire la forza netta di un sistema meccanico. Possiamo calcolare l’energia meccanica di un oggetto, perché l’energia totale (potenziale + cinetica) non cambia.
Quali sono gli esempi di energia meccanica?
fonte
La vita quotidiana è piena di energia meccanica. Ecco cinque esempi:
- Una palla demolitrice che demolisce edifici ha energia potenziale quando la palla pesante è in bilico nella parte superiore del suo swing. Quando la palla viene rilasciata, iniziando un movimento circolare, ha energia cinetica. Quando la palla colpisce l’edificio, applica forza all’edificio — energia meccanica — la capacità di un oggetto di lavorare. In questo caso, il lavoro svolto è dalla palla che distrugge l’edificio.
- Le turbine eoliche utilizzano l’energia meccanica per trasformare l’energia eolica in energia elettrica. L’energia nel vento lavora sulle pale ruotandole, che trasforma le turbine che creano elettricità. Il vento ha causato il lavoro da fare utilizzando energia meccanica.
- Un ciclista in piedi accanto alla loro bici ha energia potenziale chimica grazie al cibo nel loro stomaco. Un processo chimico rilascia l’energia chimica nel cibo per consentire al ciclista di salire sulla propria bici e applicare forza ai pedali. Pedalare è una forma di energia meccanica.
- Allo stesso modo, una palla da bowling ha più energia potenziale una volta che la prendiamo alla pista da bowling. Una volta che lo gettiamo nel vicolo, quell’energia potenziale viene trasformata in energia cinetica. La palla ora ha la capacità di eseguire “lavoro” su qualunque cosa possa incontrare. In questo caso, lo farà (si spera!) essere i perni. È l’energia meccanica che sposta i perni per quello che sarà uno sciopero.
- L’energia nucleare proviene da centrali elettriche che utilizzano il calore della fissione per trasformare i generatori elettrici per produrre elettricità. La rotazione dei generatori è energia meccanica.
Come si calcola l’energia meccanica?
L’energia meccanica è la somma dell’energia potenziale di un oggetto e dell’energia cinetica di un oggetto. Sia l’energia potenziale che l’energia cinetica sono misurate in joule.
Possiamo scoprire il potenziale gravitazionale di un oggetto tramite questa formula: PE = mgh.
- PE è energia potenziale
- m è la sua massa in chilogrammi
- g è l’accelerazione gravitazionale della terra (definita come 9,8 m/sec2)
- h è l’altezza dell’oggetto sopra la superficie della terra in metri
Se siamo in possesso di un quattro kg, martello (8 libbre, 13 once) di circa 1,5 metri (cinque metri) fuori terra, la sua energia potenziale sarebbe:
PE = 4 (kg) x 9.8 x 1,5 = 58.8 joule.
La formula per l’energia cinetica è KE = ½ m v2.
- KE è energia cinetica
- m è la massa dell’oggetto
- v è la velocità dell’oggetto in metri al secondo
Colpiamo un chiodo nel muro con il nostro martello da quattro chilogrammi e supponiamo di muoverci a 20 metri al secondo (65 piedi al secondo). Questo dà:
KE = 0,5 ( ½ ) x 4 (kg) x 20 (velocità) al quadrato = 800 joule.
L’energia meccanica è PE + KE, dando al martello 858 joule di energia meccanica.
Fattori che influenzano l’energia meccanica di un Oggetto
L’energia meccanica è soggetta a influenze esterne che influenzano i suoi valori. In molti esempi di energia meccanica, l’energia viene persa quando il” lavoro ” viene completato.
Non tutta l’energia potenziale e cinetica di un oggetto diventa sempre energia meccanica. C’è spesso un’infiltrazione di energia.
Qual è la conservazione dell’energia meccanica?
fonte
Immagine un ottovolante che si muove lungo una pista diritta, utilizzando l’energia cinetica. Le montagne russe hanno l’esatta quantità di energia per raggiungere il picco di una salita in avvicinamento, fermandosi in cima dove rimane ferma. La sua energia cinetica si è convertita in energia potenziale.
Pollice per pollice, le montagne russe vertici il picco e scende dall’altra parte. Il potenziale è stato convertito in una quantità equivalente di energia cinetica.
L’energia meccanica totale dell’ottovolante non è cambiata durante le vette e le discese né durante la conversione da energia cinetica a energia potenziale e ritorno a energia cinetica.
L’energia del sistema è rimasta la stessa. Questo è chiamato il principio di conservazione dell’energia meccanica.
L’energia meccanica è influenzata da forze non conservative?
Il Principio di Conservazione dell’Energia Meccanica presuppone che l’energia meccanica totale di un oggetto non cambi. (Nel nostro esempio, sarebbe l’ottovolante.) Nessun’altra forza agisce su di esso. Come tale, nessuna energia è persa come le nostre montagne russe cambia la sua energia cinetica per energia potenziale.
Naturalmente, non tutti i trasferimenti di energia sono così semplici. Forze esterne e forze di attrito giocano un ruolo nell’equazione, alcune scienze fisiche dietro il teorico. L’energia può perdersi. Come?
Le forze di attrito, note anche come forze non conservative, sottraggono energia al sistema. Queste forze includono la resistenza dell’aria delle montagne russe o l’energia termica persa mentre le ruote riscaldano le piste. Il sistema non può recuperare questa energia perduta.
Quanta energia meccanica si perde in una collisione?
Le collisioni sono un altro modo in cui l’energia meccanica può essere influenzata. Esistono due tipi di collisioni.
Una collisione elastica è semplice da capire in termini di energia — nessuna energia cinetica viene persa in questo scenario e l’energia del sistema rimane la stessa.
Immagina due carrelli che viaggiano l’uno verso l’altro alla stessa velocità. Alla fine, si sbattono l’un l’altro. La collisione li mette in una nuova direzione, ma senza alcuna perdita di velocità. Questa collisione è definita come una collisione perfettamente elastica senza perdita di energia cinetica.
Una collisione così perfettamente elastica è probabilmente irrealistica nella vita reale. Le collisioni tra atomi nei gas sono un esempio migliore di collisioni elastiche. La culla di Newton è forse l’esempio pratico più vicino di una collisione elastica, dove l’energia cinetica trascurabile viene persa mentre le palle oscillano avanti e indietro.
Una collisione anelastica si verifica quando l’energia cinetica viene persa in una collisione. Se questi due carrelli si scontrano e poi continuano il loro viaggio a una velocità più lenta, allora l’energia cinetica è stata persa. Un tale scenario è molto più probabile di una collisione elastica.
Se fai rimbalzare una palla e non rimbalza fino all’altezza da cui è stata lasciata cadere, questa è una collisione anelastica. Una palla da bowling smashing in perni è una collisione anelastica perché la palla da bowling rallenta dopo il contatto.
Chi ha scoperto che l’energia meccanica potrebbe essere persa?
James Prescott Joule, un fisico, matematico e birraio inglese, fu uno scopritore apparentemente improbabile degli effetti della perdita di energia nell’energia meccanica.
Joule non aveva alcuna educazione fisica formale, ma un vivo interesse per la meccanica. Ha osservato e studiato il calore generato attraverso varie fonti, tra cui l’agitazione dell’acqua da una pagaia e l’espansione di un gas nel vuoto. La comprensione di Joule che il calore potrebbe essere creato dal lavoro meccanico ha cambiato il pensiero scientifico nel 19 ° secolo.
Il suo lavoro divenne la spina dorsale del principio di conservazione dell’energia e la Prima Legge della Termodinamica. Questa legge afferma che il calore è un’energia che non può essere creata o distrutta ma può essere trasferita o convertita in un altro tipo di energia.
Comprendere la definizione di energia meccanica
L’energia meccanica è uno dei tipi più comuni di energia. Descrive la capacità di un oggetto di eseguire una qualche forma di lavoro.
Vediamo l’energia meccanica in azione ogni giorno mentre raccogliamo oggetti fissi e li facciamo svolgere compiti per noi, dai cerchi di tiro a suonare la chitarra.
L’energia meccanica è l’energia o il potere che gli oggetti hanno attraverso il movimento o cambiando posizione.
Offerto da amigoenergy
Tutte le immagini concesse in licenza da Adobe Stock.
Immagine in primo piano: