Mehanička energija

Primjer mehaničkog sistema: Satelit se okreće oko Zemlje pod samom konzervativnom gravitacijskom silom pa je tako mehanička energija konzervirana. Satelit ima ubrzanje prema Zemlji koje je okomito na brzinu. Ovo ubrzanje predstavlja zeleni vektor, a brzina je crveni vektor na slici. Iako se brzina stalno mijenja sa pravcem vektora zbog vektora ubrzanja, brzina satelita se ne mijenja jer je magnituda vektora brzine i dalje nepromijenjena.

U fizikalnim naukama, mehanička energija je zbir potencijalne i kinetičke energije. To je energija povezana sa kretanjem i pozicijom objekta. Princip pretvaranja mehaničke energije tvrdi da izolirani sistem koji je samo subjekt konzervativnim snagama ima konstantnu mehaničku energiju. Ako je objekt pomjeran u suprotnom pravcu od konzervativne neto sile, potencijalna energija će se povećati i ako je hitrost (ne brzina) objekta izmijenjena, kinetička energija objekta se također izmijeni. U svim stvarnim sistemima, ipak, nekonzervativne sile, kao što su sile trenja, bit će prisutne, ali su često neznatne vrijednosti pa se uzima da je mehanička energija konstantna. U elastičnim kolizijama, mehanička energija se konzervira ali u neelastičnim kolizijama, nešto mehaničke energije se pretvara u toplotu. Jednakost između izgubljene mehaničke energije (disipacija) i povećanja temperature otkrio je naučnik James Prescott Joule.

Većina modernih uređaja, kao što je elektromotor ili parna mašina, koriste se danas da pretvore mehaničku energiju u ostale oblike energije, npr. električna energija, ili da pretvore ostale oblike energije, poput toplote, u mehaničku energiju.

Općenito

Energija je skalar, a mehanička energija sistema je zbir potencijalnih energija koje se mjere pozicijom dijelova sistema, i kinetičkih energija koje se također nazivaju energijama kretanja:^[1][2]

${\displaystyle E_{meh}=E_{p}+E_{k}\,}$

Potencijalna energija, E_p, zavisi od pozicije objekta koji je podrvgnut konzervativnoj sili. Definira se kao mogućnost objekta da radi rad i povećava se kako je objekt pomjeren u suprotnom smjeru od smjera sile.^[a][1] Ako F predstavlja konzervativnu silu i x predstavlja poziciju, potencijalna energija sile između dvije pozicije x₁ i x₂ se definiše kao negativni integral od F od x₁ do x₂:^[4]

${\displaystyle E_{p}=-\int \limits _{x_{1}}^{x_{2}}{\vec {F}}\cdot d{\vec {x}}}$

Kinetička energija, E_k, zavisi od brzine objekta i to je mogućnost kretajućeg objekta da vrši rad na ostale objekte kada se sudari s njima.^[b][8] Definira se kao jedna polovina proizvoda mase objekta sa kvadratom njegove brzine, a ukupna kinetička energija sistema objekata jeste zbir kinetičkih energija svih objekata:^[1][9]

${\displaystyle E_{k}={1 \over 2}mv^{2}}$

Princip očuvanja mehaničke energije iskazuje da ako tijelo ili sistem podvrgnemo samo konzervativnim silama, mehanička energija tog tijela ili sistema ostaje nepromijenjena (konstantna).^[10] Razlika između konzervativne i nekonzervativne sile je da kada konzervativna sila pomjera objekt sa jedne tačke na drugu, rad koji je izvršen od konzervativne sile ne zavisi od puta. Suprotno, kada nekonzervativna sila djeluje na objekt, rad koji je izvršen od nekonzervativne sile zavisi od puta.^[11][12]

Pretvaranje

Danas većina tehnoloških uređaja pretvaraju mehaničku energiju u ostale oblike energije ili obratno. Ovi uređaju mogu biti podijeljeni u slijedeće kategorije:

• Elektromotor pretvara električnu energiju u mehaničku energiju.^[13][14][15]
• Generator pretvara mehaničku energiju u električnu energiju.^[16]
• Hidroelektrana pretvara mehaničku energiju vode u skladištu brane u električnu energiju.^[17]
• Motor sa unutrašnjim sagorijevanjem je toplotni motor koji dobija mehaničku energiju iz hemijske energije sagorijevanjem goriva. Iz ove mehaničke energije, motor s unutrašnjim sagorijevanjem često generira električnu energiju.^[18]
• Parna mašina pretvara toplotnu energiju pare u mehaničku energiju.^[19]
• Turbina pretvara kinetičku energiju toka gasa ili tečnosti u mehaničku energiju.^[20]

Razlikovanje u odnosu na ostale tipove

Klasifikacija energije u različite tipove često prati ograničenja polja proučavanja u prirodnim naukama.

• Hemijska energija je vrsta potencijalne energije "sačuvane" u hemijskim vezama te se proučava u hemiji.^[21]
• Nuklearna energija je energija pohranjena u interakcijama između česticama u atomskom jezgru te se proučava u nuklearnoj fizici.^[22]
• Elektromagnetna energija je oblik elekričnog naboja , magnetnih polja, i fotona. Proučava se u elektromagnetizmu.^[23][24]
• Različiti oblici energije u kvantnoj mehanici; npr. energetski nivoi elektrona u atomu.^[25][26]

Bilješke

1. Kada se mjeri mehanička energija, objekt se razmatra u cjelini, kako je naveo Isaac Newton u djelu Principia: "Kretanje cjeline je jednako kao zbir kretanja dijelova; to jest, promjena pozicije njenih dijelova od njihovih mjesta, tako da je mjesto cjeline isto kao zbir mjesta dijelova te je unutrašnje i u čitavom tijelu."^[3]
2. U fizici, hitrost je skalar, a brzina je vektor. Drugim riječima, brzina je hitrost sa smjerom i može stoga izmijeniti se mijenjajući hitrost objekta jer je hitrost numerička jačina brzine.^[5][6][7]

Reference

1. Wilczek, Frank (2008). "Conservation laws (physics)". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 26. 8. 2011.
2. "mechanical energy". The New Encyclopædia Britannica: Micropædia: Ready Reference. 7 (15 izd.). 2003.
3. Newton 1999, str. 409
4. "Potential Energy" Arhivirano 14. 4. 2012. na Wayback Machine.
5. Brodie 1998, str. 129–131 harvnb error: no target: CITEREFBrodie1998 (help)
6. Rusk, Rogers D. (2008). "Speed". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 28. 8. 2011.
7. Rusk, Rogers D. (2008). "Velocity". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 28. 8. 2011.
8. Brodie 1998, str. 101 harvnb error: no target: CITEREFBrodie1998 (help)
9. Jain 2009, str. 9
10. Jain 2009, str. 12
11. Department of Physics. "Review D: Potential Energy and the Conservation of Mechanical Energy" (PDF). Massachusetts Institute of Technology. Pristupljeno 3. 8. 2011.
12. Resnick, Robert and Halliday, David (1966), Physics, Section 8-3 (Vol I and II, Combined edition), Wiley International Edition, Library of Congress Catalog Card No. 66-11527
13. Kopicki, Ronald J. (2003). "Electrification, Household". u Kutler, Stanley I. (ured.). Dictionary of American History. 3 (3 izd.). New York: Charles Scribner's Sons. str. 179–183. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 7. 9. 2011.
14. Lerner, K. Lee; Lerner, Brenda Wilmoth, ured. (2008). "Electric motor". The Gale Encyclopedia of Science (4 izd.). Detroit: Gale. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 7. 9. 2011.
15. "Electric motor". U*X*L Encyclopedia of Science. U*X*L. 2007. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 7. 9. 2011.
16. "Generator". U*X*L Encyclopedia of Science. U*X*L. 16. 7. 2007. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 9. 10. 2011.
17. "Hydroelectric Power". Water Encyclopedia. Pristupljeno 23. 8. 2013.
18. Lerner, K. Lee; Lerner, Brenda Wilmoth, ured. (2008). "Internal combustion engine". The Gale Encyclopedia of Science (4 izd.). Detroit: Gale. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 9. 10. 2011.
19. "Steam engine". U*X*L Encyclopedia of Science. U*X*L. 16. 7. 2007. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 9. 10. 2011.
20. Lerner, K. Lee; Lerner, Brenda Wilmoth, ured. (2008). "Turbine". The Gale Encyclopedia of Science (4 izd.). Detroit: Gale. as cited on "Student Resources in Context". Gale. Pristupljeno 9. 10. 2011.
21. Atkins, Peter W. (2008). "Chemical energy". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 17. 10. 2011.
22. Duckworth, Henry E.; Wilkinson, D. H. (2008). "Nuclear binding energy". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 17. 10. 2011.
23. Hartwig, William H. (2008). "Electrical energy measurement". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 17. 10. 2011.
24. Smythe, William R. (2008). "Electromagnetic radiation". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 17. 10. 2011.
25. Gerjuoy, Edward (2008). "Quantum mechanics". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 17. 10. 2011.
26. March-Russell, John (2008). "Energy level (quantum mechanics)". AccessScience. McGraw-Hill Companies. Arhivirano s originala, 19. 7. 2013. Pristupljeno 17. 10. 2011.

Literatura

• Brodie, David; Brown, Wendy; Heslop, Nigel; Ireson, Gren; Williams, Peter (1998). Physics. Addison Wesley Longman Limited. ISBN 978-0-582-28736-5. Nepoznati parametar |editors= zanemaren (prijedlog zamjene: |editor=) (pomoć)
• Jain, Mahesh C. (2009). Textbook of Engineering Physics, Part I. New Delhi: PHI Learning Pvt. Ltd. ISBN 978-81-203-3862-3. Pristupljeno 25. 8. 2011.
• Newton, Isaac (1999). The Principia: mathematical principles of natural philosophy. United States of America: University of California Press. ISBN 978-0-520-08816-0. Nepoznati parametar |editors= zanemaren (prijedlog zamjene: |editor=) (pomoć);