Στην καθημερινή μας εμπειρία κατανοούμε και χρησιμοποιούμε τη λέξη ενέργεια ως κάτι που σχετίζεται πάντα με την κίνηση. Για παράδειγμα, για να λειτουργεί ένα αυτοκίνητο χρειάζεται καύσιμο, για να δουλεύει ο άνθρωπος και να εκτελεί τις καθημερινές του εργασίες που πρέπει να τρώει. Εδώ συνδέουμε τόσο τα καύσιμα όσο και τα τρόφιμα με την ενέργεια. Από τώρα και στο εξής θα προχωρήσουμε προς έναν ακριβέστερο ορισμό της ενέργειας.
Η κίνηση ενός αυτοκινήτου, ενός ατόμου ή οποιουδήποτε αντικειμένου έχει ενέργεια, αυτή η ενέργεια που σχετίζεται με την κίνηση ονομάζεται κινητική ενέργεια. Ένα κινούμενο σώμα, που διαθέτει κινητική ενέργεια, μπορεί να λειτουργήσει έρχεται σε επαφή με άλλο σώμα ή αντικείμενο και μεταφέροντας ενέργεια σε αυτό.
Ωστόσο, ένα αντικείμενο σε κατάσταση ηρεμίας μπορεί επίσης να έχει ενέργεια, γεγονός που το καθιστά ανεπαρκές μόνο για να συσχετίσει την έννοια της ενέργειας με την κίνηση. Για παράδειγμα, ένα αντικείμενο σε ηρεμία σε ένα ορισμένο ύψος από το έδαφος έχει ενέργεια. Αυτό το αντικείμενο, όταν εγκαταλειφθεί, ξεκινά μια κίνηση και αυξάνει την ταχύτητα με την πάροδο του χρόνου, αυτό συμβαίνει επειδή η δύναμη βάρους κάνει μια δουλειά και την κάνει να κινείται, δηλαδή αποκτά ενέργεια κινητική. Ένα αντικείμενο σε ηρεμία λέγεται ότι έχει μια ενέργεια που ονομάζεται βαρυτική δυνητική ενέργεια, η οποία ποικίλλει ανάλογα με το ύψος του σε σχέση με το έδαφος.
Μια άλλη μορφή ενέργειας είναι η ελαστική δυναμική ενέργεια που υπάρχει σε συμπιεσμένο ή τεντωμένο ελατήριο. Όταν συμπιέζουμε ή τεντώνουμε ένα ελατήριο, εκτελούμε εργασίες για την επίτευξη της παραμόρφωσης και μπορούμε να το παρατηρήσουμε μετά απελευθερωμένο, το ελατήριο αποκτά κίνηση - κινητική ενέργεια - και επιστρέφει στην αρχική του θέση όπου δεν ήταν τεντωμένο ή συμπιεσμένο.
Έτσι, πιο συγκεκριμένα, μπορούμε να πούμε ότι η κινητική ενέργεια είναι η ενέργεια ή η ικανότητα εκτέλεσης δουλειά λόγω κίνησης και ότι η πιθανή ενέργεια είναι η ενέργεια ή η ικανότητα να δουλεύεις λόγω θέση.
Στη μηχανική, υπάρχουν δύο μορφές δυνητικής ενέργειας: μία σχετίζεται με την εργασία βάρους, που ονομάζεται ενέργεια βαρυτικό δυναμικό, και ένα άλλο που σχετίζεται με το έργο της ελαστικής δύναμης, που είναι η δυνητική ενέργεια ελαστικό. Τώρα ας μελετήσουμε αυτές τις δύο μορφές δυναμικής ενέργειας με περισσότερες λεπτομέρειες.
1. Βαρυτική Δυναμική Ενέργεια
Είναι η ενέργεια που σχετίζεται με τη θέση στην οποία βρίσκεται το σώμα. Κοιτάξτε το σχήμα 1 και εξετάστε το σώμα μάζας m αρχικά σε ηρεμία στο σημείο β. Το σώμα βρίσκεται σε ύψος h σε σχέση με το έδαφος α. Όταν εγκαταλείπεται από ανάπαυση, λόγω της μάζας του, η δύναμη βάρους εκτελεί εργασία στο σώμα και αποκτά κινητική ενέργεια, δηλαδή αρχίζει να κινείται.
Η εργασία που κάνει το βάρος της σφαίρας μας επιτρέπει να μετρήσουμε τη βαρυτική ενέργεια, οπότε ας υπολογίσουμε την εργασία.
Λαμβάνοντας υπόψη το σημείο α ως σημείο αναφοράς, η μετατόπιση από b σε a δίνεται από h, ενώ ο συντελεστής βάρους δύναμης δίνεται από P = m.g και o γωνία μεταξύ της κατεύθυνσης εφαρμογής του βάρους δύναμης και της μετατόπισης α = 0º, καθώς και τα δύο βρίσκονται στην ίδια κατεύθυνση, απλώς εφαρμόστε τον ορισμό του εργασία (τ):
τ = F.d.cosα
Εάν το F είναι ίσο με το βάρος δύναμης P = mg, η μετατόπιση d = h και α = 0º (cos 0º = 1), αντικαθιστώντας την εξίσωση 1, θα έχουμε:
τ = F.d.cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Έτσι, η ενέργεια που συνδέει τη θέση ενός αντικειμένου με το έδαφος, τη βαρυτική δυναμική ενέργεια, υπολογίζεται από:
ΚΑΙΠ= m.g.h
Εξίσωση 2: Βαρυτική δυναμική ενέργεια
Σε τι:
Επ: δυναμική ενέργεια βαρύτητας.
g: βαρυτική επιτάχυνση.
μ: μάζα σώματος.
2. Ελαστική δυναμική ενέργεια
Εξετάστε το σύστημα ελατηρίου-μάζας στο σχήμα 2, όπου έχουμε ένα σώμα με μάζα m συνδεδεμένο με ένα ελατήριο ελαστικής σταθεράς k. Για να παραμορφώσουμε το ελατήριο πρέπει να κάνουμε δουλειά, καθώς πρέπει να το σπρώξουμε ή να το τεντώσουμε. Όταν το κάνουμε αυτό, το ελατήριο αποκτά ελαστική δυναμική ενέργεια και, όταν απελευθερώνεται, επιστρέφει στην αρχική του θέση, όπου δεν υπήρχε παραμόρφωση.
Για να αποκτήσουμε τη μαθηματική έκφραση της ελαστικής δυναμικής ενέργειας, πρέπει να προχωρήσουμε με τον ίδιο τρόπο που κάναμε και για τη βαρυτική δυναμική ενέργεια. Στη συνέχεια, θα λάβουμε την έκφραση της ελαστικής δυναμικής ενέργειας που αποθηκεύεται σε ένα σύστημα ελατηρίου μάζας από την εργασία που ασκεί η ελαστική δύναμη στο μπλοκ.
Όταν το σύστημα μάζας-ελατηρίου βρίσκεται στο σημείο Α, δεν υπάρχει παραμόρφωση στο ελατήριο, δηλαδή δεν είναι τεντωμένο ούτε συμπιεσμένο. Έτσι, όταν το τεντώνουμε στο Β, εμφανίζεται μια δύναμη, που ονομάζεται ελαστική δύναμη, η οποία την κάνει να επιστρέψει στο Α, την αρχική του θέση, όταν εγκαταλειφθεί. Ο συντελεστής της ελαστικής δύναμης που ασκείται από το ελατήριο στο μπλοκ δίνεται από τον Νόμο του Hooke:
Fel = k.x
Όπου το Fel υποδηλώνει την ελαστική δύναμη, το k είναι η ελαστική σταθερά του ελατηρίου και το x είναι η τιμή της συστολής ή επιμήκυνσης του ελατηρίου.
Η εργασία της ελαστικής δύναμης για μετατόπιση d = x δίνεται από:
Έτσι, η ενέργεια που σχετίζεται με το έργο της ελαστικής δύναμης, η Ελαστική Δυναμική Ενέργεια, δίνεται επίσης από:
Σε τι:
Χέλι: ελαστική δυναμική ενέργεια.
k: σταθερά ελατηρίου
x: παραμόρφωση ελατηρίου.
Παρατηρείται ότι η σφαίρα με μάζα αιωρείται σε σχέση με το έδαφος και το σύστημα ελατηρίου-μάζας, όταν τεντώνεται ή συμπιεσμένα, έχουν την ικανότητα να κάνουν δουλειά, καθώς έχουν αποθηκεύσει ενέργεια λόγω της θέση. Αυτή η ενέργεια που αποθηκεύεται λόγω θέσης ονομάζεται Πιθανή Ενέργεια.
Από τον Nathan Augusto
Αποφοίτησε στη Φυσική
Πηγή: Σχολείο της Βραζιλίας - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm
