אנרגיה מכנית

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
דוגמה של מערכת מכנית: לוויין המקיף את כדור הארץ, מושפע רק על ידי כוח הכבידה שהוא כוח משמר והאנרגיה המכנית שלו נשמרת. הלוויין מואץ כלפי כדור הארץ בניצב למסלול תנועתו. האצה זו מיוצגת על ידי הווקטור הירוק, המהירות מיוצגת על ידי הווקטור האדום. למרות שוקטור המהירות משתנה כל הזמן עם הכיוון שלו בגלל וקטור התאוצה, גודל המהירות של הלוויין אינה משתנה.

בפיזיקה, אנרגיה מכנית זהו מושג של סכום האנרגיה פוטנציאלית והאנרגיה קינטית, המוצגת כרכיבי מערכת מכנית. זוהי אנרגיה הקשורה בתנועה ובמיקום של גוף. חוק שימור האנרגיה קובע כי במערכת מבודדת, אשר כפופה רק לכוחות משמרים, כמו כוח הכבידה, האנרגיה המכנית היא קבועה. אם הגוף נע בכיוון ההפוך של שקול הכוחות המשמרים, האנרגיה הפוטנציאלית תגדל ואם גודל מהירות הגוף משתנה, האנרגיה הקינטית של הגוף משתנה גם כן. בכל מערכת שבה אין כוחות משמרים, כמו כוחות חיכוך, יהיו אשר יהיו הכוחות, לעתים קרובות ערכיהם זניחים אבל האנרגיה המכנית הופכת לקבועה ולכן יכולה לשמש לקירוב שימושי. בהתנגשות אלסטית, האנרגיה המכנית נשמרת, אך בהתנגשות פלסטית, חלק מהאנרגיה המכנית מומרת לחום. הקשר בין איבוד אנרגיה מכנית ושינוי בטמפרטורות התגלה על ידי ג'יימס פרסקוט ג'אול. מכשירים מודרניים רבים, כגון מנוע חשמלי או מנוע קיטור, משמשים כיום כדי להמיר אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה, כגון: אנרגיה חשמלית, או להמיר לצורות אנרגיה אחרות, כמו חום, לאנרגיה מכנית.

כללי[עריכת קוד מקור | עריכה]

אנרגיה היא גודל סקלרי והאנרגיה המכנית של המערכת היא סכום של האנרגיה הפוטנציאלית- אשר נמדדת על פי המיקום של חלקי המערכת, והאנרגיה הקינטית- אשר נקראת גם אנרגיית תנועה:

E_{mechanical}=U+K\,

חוק שימור האנרגיה המכנית קובע שאם גוף או מערכת כפופים רק לכוחות משמרים, האנרגיה המכנית הכוללת של הגוף או המערכת נשארת קבועה. ההבדל בין כוח משמר לזה שאינו משמר הוא שכשאר כוח משמר מניע גוף מנקודה אחת לאחרת, העבודה נעשית על ידי הכוח המשמר ואינה תלויה במסלול ובצורתו. לעומת זאת, כאשר כוח לא משמר פועל על גוף, העבודה שנעשית על ידו אינה תלויה במסלול.

אנרגיה פוטנציאלית, U, תלויה במיקום של הגוף וכפופה לכוח משמר. זה מוגדר כיכולת של גוף לבצע עבודה, והנרגיה הפוטנציאלית גדלה ככל שהגוף נע בכיוון ההפוך לכיוון הכוח. אם F מייצג את הכוח המשמר ו-X את המיקום, האנרגיה הפוטנציאלית של הכוח בין שתי הגבולות X1 ו X2 מוגדרת כאינטגרל השלילי של F מנקודה X1 לנקודה X2:

U = - \int\limits_{x_1}^{x_2} \vec{F}\cdot d\vec{x}

אנרגיה קינטית, K, תלויה במהירותו של הגוף והיא מוגדרת כיכולת של גוף נע לבצע עבודה על גופים אחרים כאשר הוא מתנגש בהם. היא מוגדרת כמחצית מסת הגוף בריבוע המהירות שלו, האנרגיה הקינטית הכוללת של מערכת גופים היא סכום האנרגיות הקינטיות של הגופים השונים:

K={1 \over 2}mv^2

שימור וההדדיות של אנרגיה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מבין שלושת חוקי השימור הגדולים של המכניקה קלאסית, חוק שימור האנרגיה נחשב לחשוב ביותר. על פי חוק זה, האנרגיה המכנית של מערכת מבודדת נותרת קבועה בזמן, כל עוד המערכת היא ללא כל כוחות חיכוך, כולל החיכוך הפנימי שבסופו של דבר מתחולל מההתנגשויות של הגופים השוכנים במערכת. בכל מצב אמתי, כוחות חיכוך וכוחות לא משמרים אחרים הם תמד נוכחים במערכת, אבל במקרים רבים השפעתם על המערכת כל כך מזערית כך שעקרון שימור האנרגיה המכנית יכול לשמש לקירוב סביר. למרות שאנרגיה לא ניתנת ליצור ואף לא נהרסת במערכת מבודדת, האנרגיה עלולה להיות מומרת לכל צורה אחרת של אנרגיה.

מטוטלת המתנדנדת מוצגת עם וקטור המהירות (הירוק) ועם וקטור התאוצה (הכחול). אמפליטודת וקטור המהירות, כלומר גודל המהירות של המטוטלת מרבי כאשר היא במצב אנכי והמטוטלת רחוקה ביותר מפני כדור הארץ כאשר היא במקומיה הקיצוניים.

כך, במערכת מכנית כמו מטוטלת מתנדנדת, הנתונה לכוח הכבידה, כח משמר, שבה כוחות חיכוך כמו חיכוך האוויר וחיכוך על הצירים הם זניחים, אנרגיה עוברת הלוך ושוב בין האנרגיה הקינטית לאנרגיה פוטנציאלית אבל אף פעם לא עוזב את המערכת. במטוטלת האנרגיה הקינטית מומרת לאנרגיה הפוטנציאלית, וההפך, אבל לעולם לא נעלמת מהמערכת. כאשר המטוטלת מגיעה למצב אנכי, היא משיגה הכי הרבה אנרגיה קינטית והכי פחות אנרגיה פוטנציאלית וזה נובע מכך שבנקודה זאת גודל המהירות הוא הגדול ביותר וכן המטוטלת קרובה ביותר לכדור הארץ בנקודה זו. מצד שני, יהיה לה הכי פחות אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית מרבית כאשר היא תהיה בעמדות הקיצוניות של הנדנדה שלה, כי שם גודל המהירות הוא אפס והמטוטלת רחוקה ביותר מפני כדור הארץ בנקודות אלו. עם זאת, כאשר לוקחים את כוחות החיכוך בחשבון, המערכת מאבדת אנרגיה מכנית עת נדנודה נזה בגלל העבודה שנעשית על ידי המטוטלת במטרה להתנגד לכוחות הלא משמרים כגון החיכוך.

העובדה שאובדן אנרגיה מכנית במערכת מביאה תמיד לעלייה בטמפרטורה של המערכת, כבר ידוע מזה זמן רב, אבל היה זה הפיזיקאי ג'יימס פרסקוט ג'אול הראשון שהוכיח באופן ניסיוני איך כמות מסוימת של העבודה שנעשתה נגד כוח חיכוך הביאה לכמות מוגדרת של חום אשר מצויה בהתנגשות של תנועות אקראיות של חלקיקים וזהו עניין מורכב בפני עצמו. שקילות זו בין אנרגיית חום לאנרגיה מכנית חשובה במיוחד כאשר בוחנים גופים מתנגשים. בהתנגשות אלסטית, האנרגיה המכנית נשמרת, כלומר סכומן של האנרגיות הקינטיות של הגופים המתנגשים זהה לפני ואחרי ההתנגשות. לאחר ההתנגשות פלסטית, לעומת זאת, האנרגיה המכנית הכוללת של המערכת משתנה. בדרך כלל, האנרגיה המכנית הכוללת אחרי ההתנגשות היא קטנה יותר מאשר האנרגיה המכנית הכוללת הראשונית והאנרגיה המכנית האובדת מומרת לחום. עם זאת, האנרגיה המכנית הכוללת יכולה להיות גדולה יותר לאחר התנגשות פלסטית אם למשל ההתנגשות גורמת לפיצוץ אשר ממיר אנרגיה כימית לאנרגיה מכנית. בהתנגשות פלסטית, החלקיקים הקטנים ביותר מהם הגוף מורכב, מזועזעים ומטולטלים מעלה ומטה. בקנה מידה קטן, תנועות אלו נצפו כעלייה בחום והן זקוקות לאנרגיה הקינטית שנלקחה מהתנועה הרחבת היקף של הגופים שנצפו באופן ישיר. לכן, האנרגיה הכוללת של המערכת נותרת ללא שינוי למרות שינוי באנרגיה המכנית.

המרה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כיום, אמצעים טכנולוגיים רבים ממירים אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה ולהיפך. התקנים אלה יכולים להיות ממוקמים בקטגוריות הבאות:

להבחין בין סוגי אנרגיה:[עריכת קוד מקור | עריכה]

סיווג של אנרגיה לסוגים שונים לעתים קרובות מלווה את גבולות תחומי המחקר והלימוד במדעי הטבע.

הערות[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. חשוב לציין כי כאשר מודדים אנרגיה מכנית, גוף נחשב לשלם, שנאמר על ידי אייזק ניוטון: "התנועה של גוף שלם היא סכום של תנועות החלקים; כלומר, שינוי במיקום של חלקי המערכת, משנה את מיקומו השלם של הגוף ולכן האנרגיה היא פנימית במערכת ".
  2. בפיזיקה, המהירות היא גודל סקלרי וv- הוא וקטור. במילים אחרות, v היא המהירות בכיוון ולכן יכולה להשתנות מבלי לשנות את גודל מהירות הגוף שכן מהירות היא גודל מספרי של v.
  3. חוקי השימור האחרים הם שימור תנע קווי ושימור תנע זוויתי.