Was ist mechanische Energie? Ein Leitfaden für Anfänger zu dieser Naturgewalt

Mechanische Energie umgibt uns in der natürlichen Welt und in den Maschinen, die wir bauen. Schauen Sie sich um, und mechanische Energie ist überall zu finden.

Es gibt viele Arten von mechanischer Energie, von einem Teenager, der mit dem Fahrrad zur High School fährt, bis zu einer Abrissbirne, die ein Haus zerstört.

Lesen Sie weiter und erfahren Sie mehr über mechanische Energie.

Was ist mechanische Energie?

Betrachten wir zunächst, was Energie ist. Energie ist die Fähigkeit, Arbeit zu verrichten. Es gibt viele Energieformen, und mechanische Energie ist eine davon.

Mechanische Energie ist definiert als die Fähigkeit eines Objekts, Arbeit zu verrichten. Die Menge an Arbeit, die ein Objekt leisten kann, hängt von zwei Dingen ab: seiner Position und seiner Bewegung.

Wir müssen mehr darüber verstehen, wie die Position und Bewegung eines Objekts seine Energie beeinflusst, bevor wir weiter auf die mechanische Energie schauen.

Was ist potentielle Energie?

Potentielle Energie ist die Energie der Position, auch gespeicherte Energie genannt. Seine Energie existiert aufgrund der Position von Objekten relativ zueinander. Das heißt, die Energie des Objekts ändert sich, wenn sich die Position des Objekts ändert oder wenn sich das Objekt bewegt.

Zum Beispiel hat ein Buch auf dem Boden relativ wenig potentielle Energie — es hat eine minimale Fähigkeit, sich selbst zu bewegen oder mit anderen stillen oder sich bewegenden Objekten zu interagieren. Jetzt heben wir das Buch an und balancieren es am Rand eines Regals aus. Es hat viel mehr potentielle Energie an diesem Punkt. Warum? Weil das Buch fallen und einen vorübergehenden Käfer zerquetschen könnte, oder deinen Zeh verletzen, oder einen lauten Knall machen, wenn es auf den Boden trifft.

Wir haben dem Buch gravitative potentielle Energie gegeben. Das Buch wird in einer vertikalen Position durch das Regal gehalten. Die Gravitationskräfte der Erde haben dem Buch seine gespeicherte Positionsenergie oder potentielle Energie gegeben. Angenommen, die Masse des Objekts ist größer. Tauschen Sie in diesem Fall das Buch gegen eine 10-Pfund—Hantel aus – auch die potentielle Gravitationsenergie des Objekts nimmt zu.

Es gibt eine zweite Form der potentiellen Energie im Zusammenhang mit mechanischer Energie, die als elastische potentielle Energie bezeichnet wird. Dies ist potentielle Energie, die in einem Objekt gespeichert wird, das komprimiert oder gedehnt werden kann.

Denken Sie an einen Bogenschützen, der die elastische Schnur eines Bogens zurückstreckt. Die gespannte Saite hat elastische potentielle Energie. Nach dem Loslassen treibt die elastische Schnur einen Pfeil nach vorne.

Sowohl gravitative als auch elastische potentielle Energien sind Positionsenergien und ebenso wichtige Faktoren bei der Diskussion mechanischer Energie.

Was ist kinetische Energie?

Kinetische Energie bezieht sich auf die Energie von Bewegung und Bewegung. Denken Sie an unser Beispiel des Buches zurück, das auf einem Regal ausbalanciert und voller potenzieller Energie ist.

Sollte das Buch zu Boden fallen, hat es während seines Taumelns kinetische Energie — die Energie des Buches ändert sich von der potentiellen Energie in kinetische Energie (Bewegung). Genauso verhält es sich mit dem Pfeil — seine potentielle Energie in einem gezogenen Bogen wird zu kinetischer Energie, wenn der Pfeil feuert und sich durch die Luft bewegt.

Mechanische Energie, potentielle Energie und kinetische Energie verstehen

Wie bereits erwähnt, ist mechanische Energie die Fähigkeit eines Objekts, Arbeit zu verrichten. Es ist auch die Summe der potentiellen Energie eines Objekts (gravitativ oder elastisch) und seiner kinetischen Energie. Lassen Sie uns herausfinden, wie alle drei interagieren.

Das Gesetz der Energieerhaltung besagt, dass Energie nicht erzeugt oder zerstört werden kann. Energie kann nur von einer Energieform in eine andere umgewandelt werden.

Dieses Gesetz ist für die mechanische Energie von entscheidender Bedeutung, da es bedeutet, dass wir die Nettokraft eines mechanischen Systems verstehen können. Wir können die mechanische Energie eines Objekts berechnen, da sich die Gesamtenergie (Potential + Kinetik) nicht ändert.

Was sind Beispiele für mechanische Energie?

Quelle

Der Alltag steckt voller mechanischer Energie. Hier fünf Beispiele:

1. Eine Abrissbirne, die Gebäude zerstört, hat potentielle Energie, wenn die schwere Kugel an der Spitze ihrer Schaukel steht. Wenn der Ball losgelassen wird und eine kreisförmige Bewegung beginnt, hat er kinetische Energie. Wenn der Ball das Gebäude trifft, übt er Kraft auf das Gebäude aus — mechanische Energie — die Fähigkeit eines Objekts, Arbeit zu verrichten. In diesem Fall wird die Arbeit vom Ball erledigt, der das Gebäude zerstört.
2. Windkraftanlagen nutzen mechanische Energie, um Windenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Energie im Wind wirkt auf die Blätter, indem sie sie dreht, wodurch die Turbinen gedreht werden, die Strom erzeugen. Der Wind hat dazu geführt, dass die Arbeit mit mechanischer Energie erledigt wurde.
3. Ein Radfahrer, der neben seinem Fahrrad steht, hat dank der Nahrung in seinem Magen chemische potentielle Energie. Ein chemischer Prozess setzt die chemische Energie in der Nahrung frei, damit der Radfahrer auf sein Fahrrad steigen und Kraft auf die Pedale ausüben kann. Treten ist eine Form mechanischer Energie.
4. In ähnlicher Weise hat eine Bowlingkugel mehr potentielle Energie, sobald wir sie auf der Bowlingbahn abholen. Sobald wir es die Gasse hinunterschütteln, wird diese potentielle Energie in kinetische Energie umgewandelt. Der Ball hat jetzt die Fähigkeit, an allem, was ihm begegnet, „Arbeit“ zu verrichten. In diesem Fall wird es (hoffentlich!) seien die Stifte. Es ist mechanische Energie, die die Stifte für einen Streik verschiebt.
5. Kernenergie stammt aus Kraftwerken, die Wärme aus der Kernspaltung nutzen, um elektrische Generatoren zur Stromerzeugung zu nutzen. Das Drehen der Generatoren ist mechanische Energie.

Wie berechnet man mechanische Energie?

Mechanische Energie ist die Summe der potentiellen Energie eines Objekts und der kinetischen Energie eines Objekts. Sowohl die potentielle als auch die kinetische Energie werden in Joule gemessen.

Wir können das Gravitationspotential eines Objekts über diese Formel herausfinden: PE = mgh.

• PE ist potentielle Energie
• m ist seine Masse in Kilogramm
• g ist die Erdbeschleunigung (definiert als 9,8 m / s2)
• h ist die Höhe des Objekts über der Erdoberfläche in Metern

Wenn wir einen vier Kilogramm schweren Hammer (8 Pfund, 13 unzen) etwa 1,5 Meter (fünf Fuß) über dem Boden, wäre seine potentielle Energie:

PE = 4 (kg) x 9,8 x 1,5 = 58,8 Joule.

Die Formel für kinetische Energie lautet KE = ½ m v2.

• KE ist kinetische Energie
• m ist die Masse des Objekts
• v ist die Geschwindigkeit des Objekts in Metern pro Sekunde

Schlagen wir mit unserem vier Kilogramm schweren Hammer einen Nagel in die Wand und nehmen an, wir bewegen uns mit 20 Metern pro Sekunde (65 Fuß pro Sekunde). Das ergibt:

KE = 0,5 (½) x 4 (kg) x 20 (Geschwindigkeit) im Quadrat = 800 Joule.

Mechanische Energie ist PE + KE, was dem Hammer 858 Joule mechanische Energie verleiht.

Faktoren, die die mechanische Energie eines Objekts beeinflussen

Mechanische Energie unterliegt äußeren Einflüssen, die ihre Werte beeinflussen. In vielen mechanischen Energiebeispielen geht Energie verloren, wenn die „Arbeit“ abgeschlossen ist.

Nicht die gesamte potentielle und kinetische Energie eines Objekts wird immer zu mechanischer Energie. Es gibt oft ein Versickern von Energie.

Was ist die Erhaltung der mechanischen Energie?

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Stellen Sie sich eine Achterbahn vor, die sich mit kinetischer Energie auf einer geraden Strecke bewegt. Die Achterbahn hat genau die Menge an Energie, um den Gipfel eines sich nähernden Anstiegs zu erreichen und an der Spitze anzuhalten, wo sie stationär bleibt. Seine kinetische Energie hat sich in potentielle Energie umgewandelt.

Zoll für Zoll erklimmt die Achterbahn den Gipfel und steigt die andere Seite hinab. Das Potential wurde in eine äquivalente Menge kinetischer Energie umgewandelt.

Die gesamte mechanische Energie des Achterbahnwagens hat sich weder bei den Gipfeln und Abfahrten noch bei der Umwandlung von kinetischer Energie in potentielle Energie und zurück in kinetische Energie verändert.

Die Energie des Systems ist gleich geblieben. Dies nennt man das Prinzip der Erhaltung der mechanischen Energie.

Wird mechanische Energie von nicht-konservativen Kräften beeinflusst?

Das Prinzip der Erhaltung der mechanischen Energie geht davon aus, dass sich die gesamte mechanische Energie eines Objekts nicht ändert. (In unserem Beispiel wäre das die Achterbahn.) Keine andere Kraft wirkt darauf ein. Als solches geht keine Energie verloren, da unsere Achterbahn ihre kinetische Energie in potentielle Energie umwandelt.

Natürlich ist nicht jede Energieübertragung so einfach. Äußere Kräfte und Reibungskräfte spielen eine Rolle in der Gleichung, einige physikalische Wissenschaft hinter der theoretischen. Energie kann verloren gehen. Wie?

Reibungskräfte, auch nichtkonservative Kräfte genannt, entziehen dem System Energie. Zu diesen Kräften gehören der Luftwiderstand der Achterbahn oder die Wärmeenergie, die verloren geht, wenn die Räder die Gleise erwärmen. Das System kann diese verlorene Energie nicht zurückgewinnen.

Wie viel mechanische Energie geht bei einer Kollision verloren?

Kollisionen sind eine weitere Möglichkeit, mechanische Energie zu beeinflussen. Es gibt zwei Arten von Kollisionen.

Eine elastische Kollision ist energetisch einfach zu verstehen — in diesem Szenario geht keine kinetische Energie verloren, und die Energie des Systems bleibt gleich.

Stellen Sie sich vor, zwei Wagen fahren mit der gleichen Geschwindigkeit aufeinander zu. Schließlich, Sie schlagen ineinander. Die Kollision versetzt sie in eine neue Richtung, aber ohne Geschwindigkeitsverlust. Diese Kollision wird als perfekt elastische Kollision ohne kinetischen Energieverlust definiert.

Eine solche perfekt elastische Kollision ist im wirklichen Leben wahrscheinlich unrealistisch. Kollisionen zwischen Atomen in Gasen sind ein besseres Beispiel für elastische Kollisionen. Eine Newtonsche Wiege ist vielleicht das nächstgelegene praktische Beispiel für eine elastische Kollision, bei der vernachlässigbare kinetische Energie verloren geht, wenn die Kugeln hin und her schwingen.

Eine unelastische Kollision tritt auf, wenn bei einer Kollision kinetische Energie verloren geht. Wenn diese beiden Wagen kollidieren und dann ihre Reise mit einer langsameren Geschwindigkeit fortsetzen, ist kinetische Energie verloren gegangen. Ein solches Szenario ist viel wahrscheinlicher als eine elastische Kollision.

Wenn Sie einen Ball abprallen lassen und er nicht so hoch abprallt wie die Höhe, aus der er fallen gelassen wurde, ist dies eine unelastische Kollision. Eine Bowlingkugel, die in Stifte schlägt, ist eine unelastische Kollision, da sich die Bowlingkugel nach dem Kontakt verlangsamt.

Wer entdeckte, dass mechanische Energie verloren gehen könnte?

James Prescott Joule, ein englischer Physiker, Mathematiker und Brauer, war ein scheinbar unwahrscheinlicher Entdecker der Auswirkungen von Energieverlust in mechanischer Energie.

Joule hatte keine formale Physikausbildung, aber ein großes Interesse an Mechanik. Er beobachtete und studierte Wärme, die durch verschiedene Quellen erzeugt wurde, einschließlich des Rührens von Wasser durch ein Paddel und der Expansion eines Gases in ein Vakuum. Joules Verständnis, dass Wärme durch mechanische Arbeit erzeugt werden kann, veränderte das wissenschaftliche Denken im 19.

Seine Arbeit wurde zum Rückgrat des Prinzips der Energieerhaltung und des Ersten Hauptsatzes der Thermodynamik. Dieses Gesetz besagt, dass Wärme eine Energie ist, die nicht erzeugt oder zerstört werden kann, sondern in einen anderen Energietyp übertragen oder umgewandelt werden kann.

Verständnis der Definition von mechanischer Energie

Mechanische Energie ist eine der häufigsten Energiearten. Es beschreibt die Fähigkeit eines Objekts, irgendeine Form von Arbeit auszuführen.

Wir sehen jeden Tag mechanische Energie in Aktion, wenn wir stationäre Objekte aufnehmen und sie dazu bringen, Aufgaben für uns auszuführen, vom Schießen von Reifen bis zum Gitarrenspielen.

Mechanische Energie ist die Energie oder Kraft, die Objekte durch Bewegung oder Positionsänderung haben.

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