Η δυνητική ενέργεια ενός ελατηρίου:Διατήρηση της μηχανικής ενέργειας

Η δυναμική ενέργεια είναι η αποθηκευμένη ενέργεια σε ένα σύστημα που ορίζεται από τις σχετικές θέσεις διαφόρων στοιχείων του συστήματος. Όταν ένα ελατήριο συμπιέζεται ή τεντώνεται, η δυναμική του ενέργεια αυξάνεται. Όταν σηκώνουμε μια χαλύβδινη σφαίρα πάνω από το έδαφος, έχει περισσότερη δυναμική ενέργεια από ό,τι όταν ήταν στο κάτω μέρος.

Ο νόμος διατήρησης της ενέργειας δηλώνει ότι η συνολική μηχανική ενέργεια ενός σώματος διατηρείται όταν η συντηρητική δύναμη ενεργεί στο σώμα.

Η δυνητική ενέργεια ενός ελατηρίου 

Το ελατήριο είναι ένα τυπικό εργαλείο και λόγω της μικρής μάζας του, συχνά παραβλέπουμε την αδράνειά του. Αναμένουμε ότι ένα ελατήριο θα παραμορφωθεί όταν υφίσταται καταπόνηση λόγω συμπίεσης και στη συνέχεια φτάσει στο σημείο ισορροπίας. Επομένως, ένα ελατήριο ασκεί ίση και αντίθετη δύναμη κατά τη συμπίεση ή την επέκταση ενός σώματος.

Ένα συμπιέσιμο ή τεντώσιμο αντικείμενο, όπως ένα ελατήριο, λάστιχο ή μόριο, αποθηκεύει ενέργεια. Είναι επίσης γνωστή ως ελαστική δυναμική ενέργεια. Είναι το γινόμενο της δύναμης και της απόστασης της κίνησης.

Εργασία που ολοκληρώθηκε από ένα ελατήριο

Το ελατήριο δεν έχει δυναμική ενέργεια όταν βρίσκεται στη μέση του θέση. δεν υπάρχει άγχος σε αυτό. Ωστόσο, εάν μετατοπίσουμε το ελατήριο από τη συνηθισμένη του θέση, θα διατηρήσει ενέργεια λόγω της νέας του θέσης.

Η εργασία που γίνεται από το ελατήριο ή οποιοδήποτε ελαστικό αντικείμενο είναι αποτέλεσμα της παραμόρφωσης λόγω τάνυσης. Η σταθερά του ελατηρίου k και η εκτεταμένη απόσταση την καθορίζουν.

Η φόρμουλα για την δυναμική ενέργεια ενός ελατηρίου

Η δυναμική ενέργεια μιας χορδής ισούται με δύναμη × μετατόπιση.

Επιπλέον, η δύναμη είναι ανάλογη με τη μετατόπιση της σταθεράς του ελατηρίου.

Η δυναμική ενέργεια ενός ελατηρίου είναι:

P.E =½ ×kx²

Πού,

Π.Ε. είναι η δυναμική ενέργεια του ελατηρίου 

k είναι η σταθερά του ελατηρίου

X είναι η μετατόπιση στο ελατήριο

Πρέπει να εφαρμόσουμε τον νόμο του Hooke για να υπολογίσουμε τη δυναμική ενέργεια του ελατηρίου. Η δυναμική ενέργεια είναι ισοδύναμη με το έργο που εκτελεί ένα ελατήριο και το έργο είναι το προϊόν της δύναμης και της μετατόπισης. Ο όρος "μετατόπιση" αναφέρεται στην αλλαγή στη θέση του ελατηρίου.

Νόμος του Χουκ

Όταν αναφέρουμε τον νόμο του Χουκ, είναι απαραίτητο να αναφέρουμε τον Βρετανό φυσικό Ρόμπερτ Χουκ που τον διατύπωσε. Έζησε τον 17ο αιώνα.

Η εξίσωση του Hooke ισχύει σε διαφορετικές καταστάσεις όταν ένα ελαστικό σώμα παραμορφώνεται, όπως ο άνεμος που φυσάει σε ένα ψηλό κτίριο ή ένας μουσικός που μαδάει μια χορδή κιθάρας (σε κάποιο βαθμό). Το σώμα που ικανοποιεί αυτήν την εξίσωση ονομάζεται γραμμικό-ελαστικό ή σώμα Hookean.

Στην πιο γενική του μορφή, ο νόμος του Hooke σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε τη σχέση μεταξύ καταπόνησης και τάσης για πολύπλοκα αντικείμενα με βάση τις εγγενείς ιδιότητες των υλικών που τα αποτελούν.

Όταν τεντώνουμε μια χορδή,

Fspring =-kx

Πού, 

Το Fspring είναι η δύναμη του ελατηρίου

Το k είναι σταθερά ελατηρίου

Το x είναι τέντωμα ή συμπίεση ελατηρίου

Διατήρηση της Μηχανικής Ενέργειας

Αν αναφέρουμε το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, η συνολική μηχανική ενέργεια ενός συστήματος διατηρείται εάν ασκηθεί μια συντηρητική δύναμη στο σύστημα. Λόγω της αδυναμίας δημιουργίας και καταστροφής ενέργειας ταυτόχρονα, η ενέργεια μπορεί να αλλάξει μόνο εσωτερικά από συντηρητικές δυνάμεις που δρουν στο σύστημα.

Εάν ένα μέρος ενός απομονωμένου συστήματος όπως το σύμπαν χάνει ενέργεια, τότε ένα άλλο μέρος του ίδιου συστήματος πρέπει να την αποκτήσει. Αν και δεν μπορούμε να αποδείξουμε τη διατήρηση της ενέργειας, δεν υπήρξε ποτέ αποδεδειγμένη παραβίαση της αρχής.

Σε οποιοδήποτε σύστημα, μπορούμε να υπολογίσουμε την ποσότητα ενέργειας χρησιμοποιώντας την παρακάτω εξίσωση:

Ut=Ui+W+Q

Πού,

Ut=ολική ενέργεια του συστήματος

Ui=Η αρχική ενέργεια ενός συστήματος

W=Εργασία που γίνεται από ή στο σύστημα 

Q=Προσθήκη ή αφαίρεση θερμότητας

Ένα συνολικό σύστημα με μόνο συντηρητικές δυνάμεις χαρακτηρίζεται από τη σχετική δυναμική ενεργειακή μορφή κάθε δύναμης.

Όταν ένα αντικείμενο κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση μιας συντηρητικής καθαρής δύναμης, η δυναμική του ενέργεια αυξάνεται. Ωστόσο, αλλάζει και η κινητική του ενέργεια, δηλαδή αλλάζει η ταχύτητα του αντικειμένου.

Η μετατροπή της μηχανικής ενέργειας μεταξύ των μορφών περιλαμβάνει μια ποικιλία συσκευών. Η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια από ηλεκτρικούς κινητήρες, για παράδειγμα.

Συμπέρασμα

Ο νόμος της διατήρησης της ενέργειας λέει ότι η ενέργεια δεν μπορεί να δημιουργηθεί ούτε να καταστραφεί. Για τη μηχανική ενέργεια μπορούμε επίσης να δούμε ότι η συνολική μηχανική ενέργεια ενός συστήματος διατηρείται εάν ασκηθεί μια συντηρητική δύναμη στο σύστημα. Η μηχανική ενέργεια είναι το άθροισμα της συνολικής κινητικής ενέργειας και της συνολικής δυναμικής ενέργειας. Η μηχανική ενέργεια ενός συστήματος είναι η μακροσκοπική του ιδιότητα.