기계적 에너지란 무엇인가?

역학적 에너지가 무엇인지, 어떻게 분류할 수 있는지 설명합니다. 또한 예와 기계적 전위 및 운동 에너지도 있습니다.

기계적 에너지는 물체의 운동에너지, 탄성에너지, 위치에너지를 모두 포함합니다.

기계적 에너지란 무엇인가?

기계적 에너지는  신체 또는 시스템 의 운동 에너지와 위치 에너지의 합입니다 . 운동 에너지는 움직이는 물체가 갖는 에너지입니다 . 왜냐하면 속도와 질량에 따라 달라지기 때문입니다. 반면에 위치 에너지는 물체의 질량과 위치 및 구조에 따라 달라지는 탄성력, 중력과 같은 보존적 힘의 작용과 관련이 있습니다 .

에너지 보존 원리는 신체 나 시스템에 작용하는 힘이 보존적인 한, 즉 시스템의 에너지 손실을 유발하지 않는 한 기계적 에너지가 보존(일정하게 유지됨)된다는 것을 확립합니다. 이 원리는 수학적으로 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

Emec = Ec + Ep = cte

여기서  Ec  는   시스템의  운동 에너지 이고 Ep는 중력, 탄성, 전기 등의  위치  에너지 입니다.

시스템이 비보존적 힘의 영향을 받는 경우에는 이 관계가 유지되지 않습니다. 예를 들어, 마찰이 있는 표면(대부분의 표면과 마찬가지로)에서 움직임이 있는 경우 운동 에너지는 열로 소산됩니다 . 시스템의 기계적 에너지는 열의 형태로 손실될 수도 있습니다. 예를 들어 기계적 에너지가 열에너지 로 변환될 수 있는 열역학적 시스템에서는 그렇습니다 .

기계적 에너지는 일을 수행하거나 이를 수력 에너지 (사람이 일을 수행하기 위해 낙하하는 물의 위치 에너지를 이용하는 경우)와  같은 다른 형태의 에너지로 변환하는   데 자주 사용됩니다 . 또 다른 예는 바람  과 조수의 운동 에너지를 사용하여 다른 유형의 유용한 에너지로 변환하는 풍력 에너지 또는 조력 에너지 입니다.

참조: 탄력성

기계적 에너지의 종류

운동 에너지는 물체의 속도 및 변위와 관련이 있습니다.

기계적 에너지는 다음 에너지의 합입니다.

  • 운동에너지 . 움직이는 물체나 시스템이 소유한 에너지로 속도와 질량 에 따라 달라집니다 . 예: 움직이는 공.
  • 잠재적 에너지 . 중력, 탄성, 전기 등과 같은 보존적인 힘의 장 내에서 신체의 위치와 관련된 에너지입니다. 결과적으로 위치 에너지는 두 가지 유형이 될 수 있습니다.
    • 중력 위치에너지 .  물체에 대한 중력 의 작용으로 인해 발생하는 에너지입니다  . 예: 특정 높이에서 떨어지는 물체.
    • 탄성 위치에너지 . 그것은 힘 에 의해 변형된 시스템이 소유한 에너지입니다 . 힘이 더 이상 가해지지 않을 때까지 에너지는 시스템에 남아 있으므로 시스템은 원래 모양으로 돌아가 탄성 에너지를 운동 에너지로 변환합니다. 예를 들어, 더 이상 적용되지 않을 때 스프링이 정상적인 평형 위치로 돌아갈 수 있도록 하는 외부 힘에 의해 늘어나거나 수축되는 스프링입니다.

기계적 에너지의 예

다양한 형태의 기계적 에너지의 가능한 예는 다음과 같습니다.

  • 롤러코스터 카트입니다. 가장 높은 지점에서 수레는 충분한 중력 위치 에너지(높이로 인해)를 축적하여 1초 후에 자유롭게 낙하하고 이를 모두 운동 에너지(움직임으로 인해)로 변환하여 엄청난 속도에 도달합니다.
  • 풍차. 바람의 운동 에너지는 기계적인 작업 으로 변환되는 밀 블레이드에 추력을 제공합니다 . 즉, 곡물을 더 아래로 분쇄하는 기어를 돌리는 것입니다.
  • 진자. 무게 의 중력 위치 에너지는   운동 에너지로 변환되어 무게가 경로를 따라 움직이도록 하며 총 기계적 에너지를 보존합니다.
  • 트램펄린 . 트램폴린에서 뛰어내리는 목욕하는 사람은 자신의 무게(중력 위치 에너지)를 사용하여 트램폴린을 아래쪽으로 변형시키고(탄성 위치 에너지) 모양이 회복되면 그를 위쪽으로 밀어 올려 키를 증가시킵니다(중력 위치 에너지가 더 커짐). 물 속으로 자유낙하하는 동안 운동에너지로 변환됩니다.

기계적 운동에너지와 위치에너지

이미 말했듯이 기계적 에너지에는  운동 에너지와 잠재력이라는 두 가지 에너지가 포함됩니다 .

첫 번째는 간단한 공식  Ec = ½ m을 사용하여 계산할 수 있습니다. v2 및 국제 시스템 의 측정  단위는 줄(J)입니다.

반면, 위치 에너지는 시스템의 특정 구성이나 힘의 장(중력, 탄성 또는 전자기)에 대한 위치 지정으로 인해 시스템에 저장된 에너지의 양입니다. 이 에너지는 운동 에너지 자체와 같은 다른 형태의 에너지로 변환될 수 있습니다.