TENAGA MEKANIKAL: FORMULA, KONSEP, JENIS, CONTOH, LATIHAN - FIZIKAL - 2026

The tenaga mekanikal sesuatu objek atau sistem yang ditakrifkan sebagai jumlah tenaga keupayaan dan tenaga kinetik. Seperti namanya, sistem memperoleh tenaga mekanikal berkat tindakan daya mekanik seperti daya berat dan daya anjal.

Bergantung pada jumlah tenaga mekanikal yang dimiliki tubuh, ia juga akan dapat melakukan kerja mekanikal.

Rajah 1. Pergerakan kereta roller coaster dapat digambarkan dengan penjimatan tenaga mekanikal. Sumber: Pixabay.

Tenaga - apa sahaja jenis - adalah kuantiti skalar, oleh itu tidak mempunyai arah dan makna. Let E _m tenaga mekanikal objek, U tenaga berpotensi dan K tenaga kinetiknya, formula untuk mengira ia adalah:

Unit dalam Sistem Antarabangsa tenaga jenis apa pun adalah joule, yang disingkat J. 1 J sama dengan 1 Nm (newton per meter).

Mengenai tenaga kinetik, ia dikira sebagai berikut:

Di mana m ialah jisim objek dan laju. Tenaga kinetik selalu merupakan kuantiti positif, kerana jisim dan kuasa dua halaju. Mengenai tenaga berpotensi, jika ia adalah tenaga berpotensi graviti, kita mempunyai:

Di sini m masih jisim, g adalah pecutan graviti dan h adalah ketinggian berkenaan dengan tahap rujukan atau jika anda mahu, tanah.

Sekarang, jika badan yang dimaksudkan mempunyai tenaga berpotensi elastik - ia mungkin menjadi mata air - ini kerana ia dimampatkan atau mungkin memanjang. Sekiranya tenaga berpotensi yang berkaitan adalah:

Dengan k sebagai pemalar spring, yang menunjukkan betapa senang atau sukarnya ubah bentuk dan x panjang ubah bentuk tersebut.

Konsep dan ciri tenaga mekanikal

Dengan lebih mendalam lagi definisi yang diberikan sebelumnya, tenaga mekanikal bergantung pada tenaga yang berkaitan dengan pergerakan badan: tenaga kinetik, ditambah dengan sumbangan tenaga berpotensi, yang seperti yang telah kita katakan dapat menjadi graviti, kerana berat dan kedudukan badan berkenaan dengan permukaan tanah atau rujukan.

Mari kita gambarkan ini dengan contoh mudah: andaikan anda mempunyai periuk di tanah dan berehat. Oleh kerana masih, ia tidak mempunyai tenaga kinetik, dan juga di tanah, tempat dari mana ia tidak boleh jatuh; oleh itu ia tidak mempunyai tenaga berpotensi graviti dan tenaga mekaniknya adalah 0.

Sekarang anggap seseorang meletakkan periuk tepat di tepi bumbung atau tingkap, setinggi 3.0 meter. Untuk ini, orang itu mesti melakukan kerja melawan graviti. Pot sekarang mempunyai tenaga berpotensi graviti, ia boleh jatuh dari ketinggian itu dan tenaga mekaniknya tidak lagi sifar.

Gambar 2. Pot bunga di bahagian atas tingkap mempunyai tenaga berpotensi graviti. Sumber: Pixabay.

Dalam keadaan ini periuk memiliki E _m = U dan jumlah ini bergantung pada tinggi dan berat periuk, seperti yang ditunjukkan sebelumnya.

Katakan periuk jatuh kerana berada dalam keadaan tidak menentu. Ketika jatuh, kelajuannya meningkat dan dengan itu tenaga kinetiknya, sementara tenaga berpotensi gravitasi menurun, kerana kehilangan ketinggian. Tenaga mekanikal pada setiap musim gugur adalah:

Kekuatan konservatif dan bukan konservatif

Apabila periuk berada pada ketinggian tertentu, ia mempunyai tenaga berpotensi graviti kerana sesiapa yang membesarkannya bekerja melawan graviti. Besarnya karya ini sama dengan graviti ketika periuk jatuh dari ketinggian yang sama, tetapi ia mempunyai tanda yang bertentangan, kerana ia dilakukan terhadapnya.

Kerja yang dilakukan oleh daya seperti graviti dan keanjalan hanya bergantung pada kedudukan awal dan kedudukan akhir yang diperoleh oleh objek. Jalan yang dilalui untuk pergi dari satu ke yang lain tidak penting, hanya nilai-nilai yang penting. Angkatan yang berkelakuan dengan cara ini disebut kekuatan konservatif.

Dan kerana mereka konservatif, mereka membiarkan kerja yang dilakukan mereka disimpan sebagai tenaga berpotensi dalam konfigurasi objek atau sistem. Itulah sebabnya periuk di pinggir tingkap atau atap, kemungkinan jatuh, dan dengan itu mengembangkan gerakan.

Sebaliknya ada kekuatan yang kerjanya bergantung pada jalan yang diikuti oleh objek di mana mereka bertindak. Geseran tergolong dalam gaya daya ini. Tapak kasut akan lebih aus ketika pergi dari satu tempat ke tempat lain di jalan dengan banyak lilitan, daripada ketika menggunakan jalan yang lebih langsung.

Daya geseran berfungsi yang menurunkan tenaga kinetik badan, kerana melambatkannya. Itulah sebabnya tenaga mekanikal sistem di mana geseran bertindak cenderung menurun.

Sebilangan kerja yang dilakukan secara paksa hilang oleh haba atau bunyi, misalnya.

Jenis tenaga mekanikal

Tenaga mekanikal adalah, seperti yang kita katakan, jumlah tenaga kinetik dan tenaga berpotensi. Kini, tenaga berpotensi boleh datang dari pelbagai daya konservatif: berat, daya anjal dan daya elektrostatik.

- Tenaga kinetik

Tenaga kinetik adalah kuantiti skalar yang selalu datang dari gerakan. Sebarang zarah atau objek yang bergerak mempunyai tenaga kinetik. Objek yang bergerak dalam garis lurus mempunyai tenaga kinetik translasi. Perkara yang sama berlaku jika berputar, dalam hal ini kita bercakap mengenai tenaga kinetik putaran.

Contohnya, kereta yang bergerak di jalan raya mempunyai tenaga kinetik. Juga bola sepak ketika bergerak di sekitar padang atau orang yang bergegas untuk sampai ke pejabat.

- Tenaga keupayaan

Selalu mungkin untuk mengaitkan dengan kekuatan konservatif fungsi skalar yang disebut tenaga berpotensi. Yang berikut dibezakan:

Tenaga berpotensi graviti

Yang dimiliki semua objek berdasarkan ketinggiannya dari tanah, atau tingkat rujukan yang telah dipilih seperti itu. Sebagai contoh, seseorang yang sedang berehat di teras bangunan 10 tingkat mempunyai 0 tenaga berpotensi sehubungan dengan lantai teres, tetapi tidak berkenaan dengan jalan yang terletak di 10 tingkat di bawah.

Tenaga berpotensi elastik

Ia biasanya disimpan di objek seperti gelang getah dan mata air, yang berkaitan dengan ubah bentuk yang mereka alami ketika diregangkan atau dimampatkan.

Tenaga berpotensi elektrostatik

Ia disimpan dalam sistem cas elektrik dalam keseimbangan, kerana interaksi elektrostatik di antara mereka. Katakan kita mempunyai dua cas elektrik dengan tanda yang sama yang dipisahkan dengan jarak yang kecil; Oleh kerana cas elektrik tanda yang sama saling tolak, diharapkan beberapa ejen luaran telah melakukan kerja untuk mendekatkan mereka.

Setelah diposisikan, sistem berjaya menyimpan kerja yang dilakukan ejen untuk mengkonfigurasinya, dalam bentuk tenaga berpotensi elektrostatik.

Penjimatan tenaga mekanikal

Kembali ke periuk jatuh, tenaga potensi graviti yang dimilikinya ketika berada di tepi bumbung diubah menjadi tenaga gerakan kinetik. Ini meningkat dengan mengorbankan yang pertama, tetapi jumlah kedua-duanya tetap berterusan, kerana kejatuhan pot diaktifkan oleh graviti, yang merupakan kekuatan konservatif.

Terdapat pertukaran antara satu jenis tenaga dengan yang lain, tetapi jumlah asalnya sama. Oleh itu, adalah sah untuk mengesahkan bahawa:

Sebagai alternatif:

Dengan kata lain, tenaga mekanikal tidak berubah dan ΔE _m = 0. Simbol "Δ" bermaksud variasi atau perbezaan antara kuantiti akhir dan awal.

Untuk menerapkan prinsip pemuliharaan tenaga mekanikal dengan betul untuk menyelesaikan masalah, perlu diperhatikan bahawa:

-Ia hanya berlaku apabila daya yang bertindak pada sistem konservatif (graviti, elastik dan elektrostatik). Dalam kes ini: ΔE _m = 0.

-Sistem yang dikaji mesti diasingkan. Tidak ada pemindahan tenaga dari segi apa pun.

-Jika geseran muncul dalam masalah, maka ∆E _m ≠ 0. Meski begitu, masalahnya dapat diselesaikan dengan mencari pekerjaan yang dilakukan oleh kekuatan konservatif, kerana ini adalah penyebab penurunan tenaga mekanikal.

Pemotongan penjimatan tenaga mekanikal

Katakan bahawa daya konservatif bertindak pada sistem yang berfungsi W. Kerja ini menyebabkan perubahan tenaga kinetik:

Menyamakan persamaan ini, kerana kedua-duanya merujuk kepada kerja yang dilakukan pada objek:

Langganan melambangkan "akhir" dan "awal". Pengumpulan:

Contoh tenaga mekanikal

Banyak objek mempunyai gerakan yang kompleks, di mana sukar untuk mencari ungkapan untuk kedudukan, halaju, dan percepatan sebagai fungsi waktu. Dalam kes seperti itu, menerapkan prinsip pemuliharaan tenaga mekanik adalah prosedur yang lebih efisien daripada berusaha menerapkan undang-undang Newton secara langsung.

Mari lihat beberapa contoh di mana tenaga mekanikal dijimatkan:

- Pemain ski meluncur menuruni bukit bersalji , dengan syarat ketahanan geseran diandaikan. Dalam kes ini, berat adalah daya yang menyebabkan pergerakan di sepanjang lintasan.

- Troli roller coaster adalah salah satu contoh yang paling biasa. Di sini juga, berat adalah daya yang menentukan pergerakan dan tenaga mekanik dijimatkan jika tidak ada geseran.

- Pendulum sederhana terdiri daripada jisim yang dilekatkan pada tali yang tidak dapat dilihat - panjangnya tidak berubah-, yang dipisahkan sebentar dari menegak dan dibiarkan berayun. Kami tahu bahawa ia akhirnya akan melepaskan diri dari geseran, tetapi apabila geseran tidak dipertimbangkan, tenaga mekanik juga dijimatkan.

- Blok yang memukul spring yang dipasang pada satu hujung ke dinding, semuanya diletakkan di atas meja yang sangat halus. Blok memampatkan pegas, menempuh jarak tertentu, dan kemudian dilemparkan ke arah yang bertentangan kerana mata air diregangkan. Di sini blok memperoleh tenaga potensinya berkat kerja yang dilakukan oleh spring.

- Musim bunga dan bola : apabila mata air dimampatkan oleh bola, ia melambung. Ini kerana semasa musim bunga dilepaskan, tenaga berpotensi ditukarkan menjadi tenaga kinetik dalam bola.

- Lompat trampolin : ia berfungsi dengan cara yang serupa dengan mata air, secara elastik mendorong orang yang melompat ke atasnya. Ini memanfaatkan bobotnya ketika melompat, dengan mana ia mengubah bentuk loncatan, tetapi ini, ketika kembali ke posisi semula, memberikan dorongan kepada pelompat.

Gambar 3. Trampolin bertindak seperti mata air, mendorong orang yang melompat ke atas. Sumber: Pixabay.

Latihan yang diselesaikan

- Latihan 1

Objek berjisim m = 1 kg diturunkan dari tanjakan dari ketinggian 1 m. Sekiranya jalan sangat lancar, cari halaju badan sama seperti musim bunga bertembung.

Gambar 4. Objek turun di tanjakan tanpa geseran dan memampatkan pegas yang melekat pada dinding. Sumber: F. Zapata.

Penyelesaian

Kenyataan itu memberitahu bahawa tanjakan lancar, yang bermaksud bahawa satu-satunya kekuatan yang bertindak pada badan adalah beratnya, kekuatan konservatif. Oleh itu, ditunjukkan untuk menerapkan pemuliharaan tenaga mekanikal di antara titik-titik lintasan mana pun.

Pertimbangkan titik yang ditandakan dalam rajah 5: A, B dan C.

Rajah 5. Laluan yang diikuti oleh objek adalah bebas geseran dan tenaga mekanik dijimatkan di antara sepasang titik. Sumber: F. Zapata.

Adalah mungkin untuk menetapkan penjimatan tenaga antara A dan B, B dan C atau A dan C, atau mana-mana titik di antara di tanjakan. Contohnya, antara A dan C anda mempunyai:

Oleh kerana ia dilepaskan dari titik A, halaju v _A = 0, sebaliknya h _C = 0. Selanjutnya, jisim m membatalkan, kerana ini adalah faktor yang biasa. Jadi:

- Latihan 2

Cari mampatan maksimum yang akan dialami musim bunga dalam latihan 1, jika pemalar elastiknya ialah 200 N / m.

Penyelesaian

Pemalar pegas pegas menunjukkan daya yang perlu diterapkan untuk mengubahnya dengan satu unit panjang. Oleh kerana pemalar spring ini adalah k = 200 N / m, ini menunjukkan bahawa 200 N diperlukan untuk memampatkan atau meregangkannya 1 m.

Biarkan x menjadi jarak objek memampatkan pegas sebelum berhenti di titik D:

Rajah 6. Objek memampatkan pegas jarak x dan berhenti seketika. Sumber: F. Zapata.

Penjimatan tenaga antara titik C dan D, menetapkan bahawa:

Pada titik C ia tidak mempunyai tenaga berpotensi graviti, kerana tingginya 0, tetapi mempunyai tenaga kinetik. D telah berhenti sepenuhnya, jadi di sana untuk K _D = 0, tetapi sebaliknya menjadikan tenaga berpotensi dari spring U _{D yang} dimampatkan .

Penjimatan tenaga mekanikal adalah seperti:

½ mv _C ² = ½ kx ²

Rujukan

1. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. 2005. Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 1. Kinematik. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
3. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
4. Sears, Zemansky. 2016. Fizik Universiti dengan Fizik Moden. 14hb. Ed. Jilid 1.
5. Wikipedia. Tenaga mekanikal Dipulihkan dari: es.wikipedia.org.