Mekanisk energi är summan av energi i ett mekaniskt system, eller någon grupp av objekt som interagerar baserat på grundläggande mekaniska principer. Detta inkluderar både kinetisk energi, rörelseenergin och potentiell energi, den lagrade positionsenergin. Typiskt, i ett mekaniskt system, är gravitationen den enda större yttre kraften som måste beaktas. I ett kemiskt system, däremot, måste krafterna mellan enskilda molekyler och atomer beaktas.
Generell bakgrund
Mekanisk energi existerar som både kinetisk och potentiell energi i ett system. Kinetisk energi är närvarande när ett föremål är i rörelse. Potentiell energi baseras på ett objekts position; det är lagrad energi och kan inte utföra arbete på egen hand. Det kan dock omvandlas till andra former av energi, inklusive kinetisk energi. En bowlingklot hängd 10 meter över marken har till exempel ingen kinetisk energi eftersom den inte rör sig. Den har dock en stor mängd potentiell energi (i det här fallet gravitationell potentiell energi) som skulle omvandlas till kinetisk energi om bollen fick falla.
Gymnasielektioner i fysik börjar ofta med att instruera eleverna om de grundläggande principerna för mekaniska system och deras energi. Detta beror på att de vanligtvis är lättare att visualisera och lätta att förenkla. Grundläggande beräkningar om dessa system kan göras utan att använda kalkyl. I de flesta enkla fysikproblem förblir det mekaniska systemet stängt och faktorer som normalt skulle ta bort energi från systemet, såsom friktion och luftmotstånd, ignoreras.
Hur man beräknar mekanisk energi
Den totala mekaniska energin kan beräknas helt enkelt genom att addera systemets potentiella och kinetiska energi. Potentiell energi (PE) är en produkt av objektets höjd över marken (h), dess massa (m) och jordens gravitationsacceleration (g, som är 9.8 m/s2).
PE = h × m × g
Ett objekts kinetiska energi (KE) är produkten av 1/2 dess massa och dess kvadratiska hastighet (v).
KE = 1/2mv2
Massan anges i kilogram (kg), höjd i meter (m), hastighet i meter per sekund (m/s), och energi anges i joule (j).
Till exempel är den potentiella energin för en 5 kilogram (11 lbs) bowlingklot som är 3 meter (10 fot) över marken 147 joule (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j) oavsett om bollen är i rörelse eller vila. Om den bollen också faller med en hastighet av 2 m/s är dess kinetiska energi 10 joule (1/2 × 5 kg × 22m/s = 10 j).
När den potentiella och kinetiska energin väl är kända, kan den totala mekaniska energin hittas. De två energislagen läggs helt enkelt ihop.
Mekanisk energi = PE + KE
I det här exemplet är bowlingklots totala mekaniska energi 157 joule (147 j + 10 j = 157 j).
Mekanisk vs. kemisk och kärnenergi
Det finns många andra former av energi, och ibland kan det vara svårt att särskilja den ena från den andra. Kemisk energi, till exempel, är den energi som lagras i kemiska bindningar i molekyler. Kärnenergi är den energi som finns i interaktioner mellan partiklar i en atoms kärna. Mekanisk energi däremot ignorerar i allmänhet sammansättningen av föremål och tittar bara på föremålen i fråga, utan att bry sig om deras molekylära sammansättning.
Denna inriktning är utformad för att förenkla beräkningar för mekanisk energi och mekaniska system. Objekt i dessa system behandlas vanligtvis som enskilda objekt istället för som summan av miljarder molekyler. Att beräkna både kinetisk och potentiell energi för ett enskilt objekt är en enkel uppgift; att beräkna dessa typer av energi för miljarder molekyler skulle vara extremt svårt. Utan att förenkla delarna i ett mekaniskt system skulle forskare behöva undersöka de individuella atomerna och alla interaktioner och krafter som existerar mellan dem. Detta är vanligtvis reserverat för partikelfysik.
Omvandling mellan energislag
Mekanisk energi kan omvandlas till andra typer av energi med hjälp av speciell utrustning. Till exempel är generatorer utformade för att ta mekaniskt arbete och förvandla det till elektricitet. Andra typer av energi kan också omvandlas till mekanisk energi; till exempel omvandlar förbränningsmotorn i en bil den kemiska energin i bränslet till den mekaniska energi som används för att få bilen att röra sig.