Кіріспе

Потенциалдық және кинетикалық энергияның қосындысы

Физика ғылымдарында механикалық энергия – потенциалдық энергия мен кинетикалық энергияның қосындысы. Механикалық энергияның сақталу принципіне сәйкес, егер оқшауланған жүйе тек консервативті күштер әсер ететін болса, механикалық энергия тұрақты болады. Егер дененің қозғалысы консервативті күштер бағытына қарсы болса, потенциалдық энергия артады; ал дененің жылдамдығы (вектері емес) өзгерсе, оның кинетикалық энергиясы да өзгереді. Бірақ, шын жүйелерде үйкеліс сияқты консервативті емес күштер де болады. Егер олардың шамасы аз болса, механикалық энергияның өзгеруі шамалы болады және оның сақталуы жақсы жуықтау болып табылады. Эластикалық соқтығысуларда кинетикалық энергия сақталады, ал серпімсіз соқтығысуларда механикалық энергияның бір бөлігі жылу энергиясына айналуы мүмкін. Механикалық энергияның жоғалуы мен температураның көтерілуі арасындағы эквиваленттілікті Джеймс Прескотт Джоул ашқан. Көптеген құрылғылар механикалық энергияны басқа түрлерге немесе керісінше түрлендіруге қолданылады, мысалы, электрмотор электр энергиясын механикалық энергияға, электр генераторы механикалық энергияны электр энергиясына, ал жылу машинасы жылуды механикалық энергияға түрлендіреді.

Механикалық энергияның сақталуы

Механикалық энергияны сақтау принципіне сәйкес, оқшауланған жүйенің механикалық энергиясы уақыт өте өзгермейді, егер жүйе үйкелістен және басқа да консервативті емес күштерден бос болса. Нақты жағдайда үйкеліс күштері мен басқа да консервативті емес күштер әрқашан болады, бірақ көп жағдайда олардың жүйеге тигізетін әсері соншалықты аз, сондықтан механикалық энергияны сақтау принципі жақсы жуықтама ретінде қолданылуы мүмкін. Энергияны жаратуға немесе жоюға болмайды, бірақ оны басқа энергия түріне түрлендіруге болады.

Ұңғымалы маятник

Механикалық жүйеде, мысалы, айналмалы маятникте консервативті гравитациялық күш әсер етеді, онда ауа кедергісі және тіреу нүктесіндегі үйкеліс сияқты үйкеліс күштері ескерілмейді, энергия кинетикалық және потенциалдық энергия арасында алмаса өтеді, бірақ жүйеден шықпайды. Маятник тік күйде ең жоғары кинетикалық энергияға және ең төменгі потенциалдық энергияға жетеді, себебі осы кезде ол ең жоғары жылдамдыққа ие болады және Жерге ең жақын болады. Ал, маятник тербелісінің шекті нүктелерінде оның ең төменгі кинетикалық энергиясы және ең жоғары потенциалдық энергиясы болады, себебі жылдамдығы нөлге тең және осы нүктелерде Жерден ең алыс орналасқан. Дегенмен, үйкеліс күштерін ескергенде, жүйе әрбір тербелісте механикалық энергияны жоғалтады, себебі осы консервативті емес күштер маятникке теріс жұмыс жасайды. Механикалық энергия мен жылу арасындағы осы тепе-теңдік соқтығысатын денелерді қарастырғанда ерекше маңызды. Эластикалық соқтығысу кезінде механикалық энергия сақталады – соқтығысқан денелердің механикалық энергиясының қосындысы соқтығысуға дейін және соқтығысудан кейін бірдей болады. Алайда, серпімсіз соқтығысудан кейін жүйенің механикалық энергиясы өзгереді. Әдетте, соқтығысуға дейінгі механикалық энергия соқтығысудан кейінгі механикалық энергиядан артық болады. Серпімсіз соқтығысуларда соқтығысқан денелердің механикалық энергиясының бір бөлігі құрамындағы бөлшектердің кинетикалық энергиясына айналады. Бөлшектердің кинетикалық энергиясының артуы температураның жоғарылауы ретінде сезіледі. Соқтығысуды соқтығысқан денелердің механикалық энергиясының бір бөлігі тең мөлшерде жылуға айналғаны деп сипаттауға болады. Осылайша, жүйенің жалпы энергиясы өзгермейді, бірақ жүйенің механикалық энергиясы төмендейді.

Қайта құру

Қазіргі кезде көптеген технологиялық құрылғылар механикалық энергияны энергияның басқа түрлеріне немесе керісінше түрлендіреді. Бұл құрылғыларды мынадай топтарға бөлуге болады: Электр қозғалтқышы электр энергиясын механикалық энергияға айналдырады. Генератор механикалық энергияны электр энергиясына айналдырады. Гидроэлектр станциясы су қоймасындағы судың механикалық энергиясын электр энергиясына айналдырады. Ішкі жанатын қозғалтқыш - отынды жағу арқылы химиялық энергиядан механикалық энергия алатын жылу қозғалтқышы. Бұл механикалық энергиядан ішкі жанатын қозғалтқыш көбінесе электр энергиясын өндіреді. Бу машинасы будың жылу энергиясын механикалық энергияға айналдырады. Турбина газ немесе сұйықтық ағынының кинетикалық энергиясын механикалық энергияға айналдырады.

Басқа түрлерден ажырату

Энергияны әртүрлі түрлерге жіктеу көбінесе табиғаттану ғылымдарының зерттеу салаларының шекарасына сәйкес келеді. Химиялық энергия – химиялық байланыстарда «сақталатын» потенциалдық энергияның бір түрі және химия ғылымында зерттеледі. Ядролық энергия – атом ядросы ішіндегі бөлшектердің өзара әрекеттесуінде сақталатын энергия және ядролық физикада зерттеледі. Электромагниттік энергия электр зарядтары, магниттік өрістер және фотондар түрінде болады. Ол электромагнетизмде зерттеледі. Кванттық механикада энергияның түрлі формалары бар; мысалы, атомдағы электронның энергия деңгейлері.