Введение

Сумма потенциальной и кинетической энергии

В физических науках механическая энергия представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Принцип сохранения механической энергии утверждает, что если изолированная система подвергается воздействию только консервативных сил, то механическая энергия остается постоянной. Если объект движется против консервативной равнодействующей силы, потенциальная энергия увеличивается; и если изменяется скорость (а не вектор скорости) объекта, то изменяется и его кинетическая энергия. Однако во всех реальных системах присутствуют неконсервативные силы, такие как силы трения, но если их величина пренебрежимо мала, изменение механической энергии незначительно, и ее сохранение является полезным приближением. При упругих столкновениях кинетическая энергия сохраняется, а при неупругих столкновениях часть механической энергии может преобразовываться в тепловую. Эквивалентность между потерей механической энергии и повышением температуры была установлена Джеймсом Прескоттом Джоулем. Многие устройства используются для преобразования механической энергии в другие формы энергии и наоборот, например, электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую, электрогенератор – механическую в электрическую, а тепловой двигатель – тепло в механическую.

Сохранение механической энергии

Согласно принципу сохранения механической энергии, механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной во времени, пока система свободна от трения и других неконсервативных сил. В любой реальной ситуации силы трения и другие неконсервативные силы присутствуют, но во многих случаях их влияние на систему настолько мало, что принцип сохранения механической энергии можно использовать как достаточно точное приближение. Хотя энергия не может быть создана или уничтожена, она может преобразовываться в другие формы энергии.

Маятник с колебаниями

В механической системе, такой как маятник, подверженный консервативной силе тяжести, где силы трения, такие как сопротивление воздуха и трение в точке подвеса, пренебрежимо малы, энергия переходит из кинетической в потенциальную и обратно, но не покидает систему. Маятник достигает максимальной кинетической энергии и минимальной потенциальной энергии в нижней точке, поскольку именно там он имеет наибольшую скорость и находится ближе всего к Земле. И наоборот, в крайних точках колебания он обладает минимальной кинетической энергией и максимальной потенциальной энергией, так как его скорость равна нулю и он находится на наибольшем расстоянии от Земли. Однако, при учете сил трения, система теряет механическую энергию с каждым колебанием из-за отрицательной работы, совершаемой этими неконсервативными силами. Эта эквивалентность между механической энергией и теплом особенно важна при рассмотрении столкновений. При упругом столкновении механическая энергия сохраняется – сумма механических энергий сталкивающихся объектов до и после столкновения остается неизменной. После неупругого столкновения механическая энергия системы изменяется. Как правило, механическая энергия до столкновения больше, чем после столкновения. При неупругих столкновениях часть механической энергии сталкивающихся объектов преобразуется в кинетическую энергию составляющих частиц. Это увеличение кинетической энергии частиц проявляется как повышение температуры. Столкновение можно описать как преобразование части механической энергии сталкивающихся объектов в эквивалентное количество тепла. Таким образом, полная энергия системы остается постоянной, хотя механическая энергия системы уменьшается.

Перевод

Сегодня многие технологические устройства преобразуют механическую энергию в другие формы энергии или наоборот. Эти устройства можно отнести к следующим категориям: Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Генератор преобразует механическую энергию в электрическую. Гидроэлектростанция преобразует механическую энергию воды, накопленной в водохранилище, в электрическую энергию. Двигатель внутреннего сгорания – это тепловой двигатель, который получает механическую энергию из химической энергии путем сжигания топлива. Из этой механической энергии двигатель внутреннего сгорания часто генерирует электричество. Паровая машина преобразует тепловую энергию пара в механическую энергию. Турбина преобразует кинетическую энергию потока газа или жидкости в механическую энергию.

Отличие от других типов

Классификация энергии на различные типы часто соответствует границам областей изучения в естественных науках. Химическая энергия – это вид потенциальной энергии, "заключенной" в химических связях, и изучается в химии. Ядерная энергия – это энергия, хранящаяся во взаимодействиях между частицами в атомном ядре, и изучается в ядерной физике. Электромагнитная энергия существует в форме электрических зарядов, магнитных полей и фотонов и изучается в электромагнетизме. Различные формы энергии рассматриваются в квантовой механике, например, энергетические уровни электронов в атоме.