אנרגיה מכנית
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 היא. בכל מערכת שבה אין כוחות משמרים, כמו כוחות חיכוך, יהיו אשר יהיו הכוחות, לעיתים קרובות ערכיהם זניחים אך 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 ג'ול.
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
אנרגיה היא גודל סקלרי והאנרגיה המכנית של המערכת היא סכום של האנרגיה הפוטנציאלית (הנמדדת על־פי מיקום חלקי המערכת) והאנרגיה הקינטית (הנקראת גם אנרגיית תנועה):
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 שכאשר כוח משמר מניע גוף מנקודה אחת לאחרת, העבודה הנעשית על־ידו תלויה רק בנקודת ההתחלה והסיום ולא במסלול ובצורתו. לעומת זאת, כאשר כוח לא משמר פועל על גוף, העבודה שנעשית על ידו תלויה באורך ובצורת המסלול.
אנרגיה פוטנציאלית תלויה במיקום הגוף וכפופה לכוח משמר. היא מוגדרת כיכולת גוף לבצע עבודה, והאנרגיה הפוטנציאלית גדלה ככל שהגוף נע בכיוון ההפוך לכיוון הכוח. האנרגיה הפוטנציאלית של הכוח בין שני נקודות מוגדרת כאינטגרל השלילי של מנקודה לנקודה :
אנרגיה קינטית תלויה במהירותו של הגוף, ומוגדרת כיכולת גוף נע לבצע עבודה על גופים אחרים כאשר הוא מתנגש בהם. היא מוגדרת כמחצית מכפלת מסת הגוף בריבוע מהירותו, האנרגיה הקינטית הכוללת של מערכת גופים היא סכום האנרגיות הקינטיות של הגופים השונים:
שימור וההדדיות של אנרגיה
מבין שלושת חוקי השימור הגדולים של המכניקה הקלאסית, חוק שימור האנרגיה נחשב לחשוב ביותר. על־פי חוק זה, האנרגיה המכנית של מערכת מבודדת נותרת קבועה בזמן, כל עוד המערכת 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 תמיד נוכחים במערכת, אך במקרים רבים השפעתם על המערכת כה מזערית כך שעקרון שימור האנרגיה המכנית יכול לשמש לקירוב סביר. למרות שאנרגיה לא ניתנת ליצור או להשמדה במערכת מבודדת, האנרגיה ניתנת להמרה לכל צורה אחרת של אנרגיה.
כך, במערכת מכנית כמו מטוטלת מתנדנדת, הנתונה לכוח הכבידה, כוח משמר, שבה כוחות חיכוך כמו חיכוך האוויר וחיכוך על הצירים הם זניחים, אנרגיה עוברת הלוך ושוב בין התחום הקינטי לפוטנציאלי אך לעולם לא נעלמת המערכת. במטוטלת מומרת האנרגיה הקינטית לפוטנציאלית ולהפך, אך לעולם לא נעלמת מהמערכת. כאשר המטוטלת מגיעה למצב אנכי, היא משיגה את האנרגיה הקינטית המרבית ואת הפוטנציאלית הפחותה ביותר וזה נובע מכך שבנקודה זאת גודל המהירות הוא המרבי וכן המטוטלת קרובה ביותר לכדור הארץ. מצד שני, תהיה לה האנרגיה הקינטית הפחותה והפוטנציאלית המרבית ביותר כאשר היא תהיה בנקודות הקיצוניות של הנדנדה שלה, כי שם גודל המהירות הוא אפס והמטוטלת רחוקה ביותר מפני כדור הארץ. עם זאת, כאשר לוקחים את כוחות החיכוך בחשבון, המערכת מאבדת אנרגיה מכנית בעת נדנודה עקב העבודה הנעשית על־ידי המטוטלת במטרה להתנגד לכוחות הלא־משמרים כגון החיכוך.
העובדה שאובדן אנרגיה מכנית במערכת מביאה תמיד לעליה בטמפרטורה, ידועה מזה זמן רב, אך היה זה הפיזיקאי ג'יימס ג'ול הראשון שהוכיח באופן ניסיוני כיצד כמות מסוימת של העבודה שנעשתה נגד 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.
בהתנגשות פלסטית, לעומת זאת, האנרגיה המכנית הכוללת של המערכת משתנה. בדרך־כלל, האנרגיה המכנית הכוללת אחרי ההתנגשות קטנה יותר מן 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 הממיר אנרגיה כימית לאנרגיה מכנית. בהתנגשות פלסטית, החלקיקים הקטנים ביותר מהם הגוף מורכב, מזועזעים ומטולטלים לכל עבר. בקנה מידה קטן, תנועות אלו נצפו כעליה בחום והן זקוקות לאנרגיה הקינטית שנלקחה מהתנועה רחבת ההקף של הגופים שנצפו באופן ישיר. לכן, האנרגיה הכוללת של המערכת נותרת ללא שינוי למרות השינוי באנרגיה המכנית.
המרה
כיום, אמצעים טכנולוגיים רבים ממירים אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה ולהיפך. התקנים אלה יכולים להיות ממוקמים בקטגוריות הבאות:
- מנוע חשמלי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.
- גנרטור חשמלי הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית.
- מנוע בעירה פנימית הוא מנוע חום אשר מקבל אנרגיה מכנית מאנרגיה כימית על־ידי שריפת דלק. מאנרגיה מכנית זו, מנוע הבעירה הפנימית לעיתים קרובות מייצר חשמל.
- מנוע קיטור ממיר אנרגיית חום של קיטור לאנרגיה מכנית.
- הטורבינה הופכת את האנרגיה הקינטית של זרם של גז או נוזל לאנרגיה מכנית.
להבחין בין סוגי אנרגיה
סיווג של אנרגיה לסוגים שונים לעיתים קרובות מלווה את גבולות תחומי המחקר והלימוד במדעי הטבע.
- אנרגיה כימית היא סוג של אנרגיה פוטנציאלית המאוחסנת בקשרים כימיים, והיא נלמדת בכימיה.
- אנרגיה גרעינית היא האנרגיה האצורה בתוך אינטראקציות בין חלקיקים בגרעין האטום, והיא נלמדת בפיזיקה גרעינית.
- אנרגיה אלקטרומגנטית היא בצורה של מטענים חשמליים, שדות מגנטיים, ופוטונים. היא נלמדת באלקטרומגנטיות.
- צורות שונות של אנרגיה, מכניקת הקוונטים למשל, צופה את רמות האנרגיה של האלקטרונים באטום.
הערות
- 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".
- בפיזיקה, המהירות היא גודל סקלרי ו־ הוא וקטור. במילים אחרות, היא כיוון המהירות ולכן יכולה להשתנות מבלי לשנות את גודל מהירות.
- חוקי השימור האחרים הם שימור תנע קוי ושימור תנע זוויתי.
