انرژی مکانیکی

انرژی مکانیکی مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی تعریف می شود. این انرژی مربوط به حرکت و موقعیت یک شیء است.

اصل پایستگی انرژی مکانیکی بیان می کند که در یک سیستم ایزوله که فقط به نیرو های پایسته محدود شده باشد، انرژی مکانیکی ثابت است.

به این معنا که اگر در یک جسم نیروی جنبشی کاهش یابد، انرژی پتانسیل در آن افزایش می یابد و اگر سرعت جسم افزایش یابد، انرژی جنبشی شی نیز بالا می رود و در این حالت است که این انرژی از کاهش انرژی پتانسیل در جسم تامین می شود.

اما در تمام سیستم های واقعی، نیرو های غیر پایسته مانند نیروهای اصطکاک نیز حضور خواهند داشت. در صورتی که مقدار آنها ناچیز باشد، انرژی مکانیکی میزان کمی تغییر می کند و پایستگی آن تا حد خوبی حفظ می شود.

به طور مثال در برخوردهای غیر کشسان یا غیر الاستیک، انرژی مکانیکی پایسته است، اما در برخورد الاستیک و یا کشسان، برخی از انرژی مکانیکی به انرژی حرارتی تبدیل می شود.

رابطه ی بین انرژی مکانیکی از دست رفته (که در حقیقت اتلاف شده است) و افزایش دما توسط جیمز پرسکات جول کشف شد.

بسیاری از دستگاه ها برای تبدیل انرژی مکانیکی به انواع دیگر انرژی و یا تبدیل انرژی از دیگر اشکال به انرژی مکانیکی استفاده می شوند، برای مثال موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند، ژنراتور الکتریکی انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند و یک موتور گرمایی، انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.

انرژی مکانیکی ۱

پایستگی انرژی مکانیکی

با توجه به اصل پایستگی انرژی مکانیکی، انرژی مکانیکی یک سیستم ایزوله در گذر زمان، تا زمانی که سیستم بدون اصطکاک و بدون دیگر نیرو های غیر پایسته باشد، ثابت باقی می ماند.

در واقعیت، نیرو های اصطکاک و سایر نیرو های غیر پایسته همواره وجود دارند، اما در بسیاری از موارد، اثرات آنها بر روی سیستم بسیار کوچک است که اصل پایستگی انرژی مکانیکی را می توان به عنوان تقریب مناسبی برای این سیستم ها استفاده کرد.

اگرچه انرژی در یک سیستم پایسته ی ایزوله، ایجاد یا نابود نمی شود، اما می تواند از شکلی به شکل دیگری از انرژی تبدیل شود.

انرژی مکانیکی ۲

آونگ نوسانگر

در یک سیستم مکانیکی مثل یک آونگ نوسانگر، نیرو های اصطکاکی مانند کشش هوا و اصطکاک روی نقطه ی اتصال میله ی نوسانگر با لولای آن همواره وجود دارد، اما چون مقدار آنها در این سیستم قابل چشم پوشی می باشد، می توان انرژی این سیستم را پایسته در نظر گرفت.

در این تقریب، سهم انرژی پتانسیل و جنبشی دائما در هر نوسان در تغییر است اما مجموع این دو همواره ثابت می ماند.

زمانی که آونگ در موقعیت عمودی یعنی در پایینترین ارتفاع خود قرار دارد، دارای بزرگترین انرژی جنبشی و حداقل انرژی پتانسیل است، زیرا در این زمان آونگ بیشترین سرعت و کمترین ارتفاع را داراست.

از سوی دیگر هرگاه آونگ در نقطه ی بازگشت یعنی در بالاترین ارتفاع خود قرار گیرد، دارای کمترین انرژی جنبشی و حداکثر انرژی پتانسیل است، زیرا در این زمان سرعت آونگ به صفر می رسد و ارتفاع آن ماکزیمم است.

با این وجود و با توجه به حضور نیرو های اصطکاکی، سیستم در هر نوسان، انرژی مکانیکی اندکی را از دست می دهد.

انرژی مکانیکی ۳

بازگشت ناپذیری

این که اتلاف انرژی مکانیکی در یک سیستم همواره منجر به افزایش دمای سیستم شده است، برای مدت زمان طولانی شناخته شده است.

فیزیکدان آمریکایی جیمز پرستوک جول، اولین فردی بود که به صورت آزمایشگاهی این ارتباط را نشان داد.

این همبستگی بین انرژی مکانیکی و گرمایی، هنگامی که مباحث مربوط به برخورد را بررسی می کنیم، جلب توجه بیشتری می کند.

در برخورد غیرکشسان، انرژی مکانیکی در سیستم پایسته است یعنی مجموع انواع مختلف انرژی در این برخورد ها قبل و پس از تداخل با یکدیگر برابرند.

با این وجود، پس از برخورد کشسان، انرژی مکانیکی سیستم تغییر خواهد کرد. معمولا انرژی مکانیکی قبل از برخورد، بیشتر از انرژی مکانیکی پس از برخورد است.

در این نوع برخورد، بخشی از انرژی مکانیکی اشیاء برخورد کننده، به انرژی جنبشی آنها تبدیل می شوند. این افزایش انرژی جنبشی ذرات سازنده در سیستم های برخورد، به شکل افزایش دما خود را نمایش می دهد.

این اتلاف انرژی در برخورد می تواند این گونه تعریف شود که با برخورد اشیا در یک سیستم، بخشی از انرژی مکانیکی اشیاء برخورد کننده به مقدار مساوی انرژی گرمایی تولید می کند.

بنابراین، انرژی کل سیستم بدون تغییر باقی مانده است لذا این انرژی جنبشی به گرمایی تبدیل شده است اما دیگر این تبدیل انرژی برگشت پذیر نیست زیرا نمی توان گرمای ایجاد شده در ذرات را به سرعت آنها تبدیل کرد.

تبدیل انرژی

امروزه بسیاری از دستگاه های جدید، انرژی مکانیکی را به شکل های دیگر انرژی یا برعکس تبدیل می کنند. این دستگاه ها را می توان در این دسته بندی قرار داد:

• موتور الکتریکی انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.
• ژنراتور انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.
• نیروگاه برق آبی انرژی مکانیکی آب را در یک سد ذخیره کرده و به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
• موتور احتراق داخلی، نوعی موتور حرارتی است که انرژی مکانیکی را از انرژی شیمیایی به دست می آورد. از این انرژی مکانیکی، اغلب برای تولید برق استفاده می شود.
• موتور بخار، انرژی حرارتی بخار را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.
• توربین، انرژی جنبشی یک جریان گاز یا مایع را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.