Zasada zachowania energii mechanicznej

W fizyce energia mechaniczna opisuje zdolność ciała do wykonywania pracy dzięki ruchowi albo położeniu. Składa się z dwóch głównych części: energii kinetycznej i energii potencjalnej. W klasie 7 najczęściej rozpatrujemy energię potencjalną grawitacji oraz energię potencjalną sprężystości.

Energia kinetyczna jest związana z ruchem. Gdy rower jedzie szybko, ma większą energię kinetyczną niż wtedy, gdy porusza się wolno. Energia potencjalna grawitacji zależy od wysokości położenia ciała. Książka na wysokiej półce ma większą energię potencjalną niż ta sama książka leżąca na podłodze.

Energia potencjalna sprężystości pojawia się wtedy, gdy coś jest odkształcone, na przykład rozciągnięta gumka, napięty łuk albo ściśnięta sprężyna.

Zasada mówi, że jeżeli w układzie nie występują straty energii mechanicznej, to całkowita energia mechaniczna się nie zmienia. Może zmieniać się jej postać, ale suma pozostaje stała.

To znaczy, że gdy jedna część energii maleje, druga rośnie o tyle samo. Jeśli ciało spada, to zwykle maleje jego energia potencjalna grawitacji, a rośnie energia kinetyczna. Jeśli ciało porusza się w górę, dzieje się odwrotnie.

W zadaniach szkolnych często zakładamy, że można pominąć opór powietrza i tarcie. Wtedy zasada zachowania energii mechanicznej działa bardzo dobrze i pozwala łatwo opisać ruch.

Dobrym przykładem jest piłka rzucona pionowo w górę. Tuż po rzucie ma dużą energię kinetyczną. W czasie wznoszenia zwalnia, więc jej energia kinetyczna maleje, a rośnie energia potencjalna grawitacji. W najwyższym punkcie lotu prędkość chwilowo wynosi $0$, więc energia kinetyczna jest wtedy równa $0$, a energia potencjalna jest największa.

Podczas spadania zachodzi przemiana odwrotna. Wysokość maleje, więc maleje energia potencjalna, a ciało przyspiesza, więc rośnie energia kinetyczna.

Podobnie działa zjeżdżalnia. Na górze dziecko ma dużą energię potencjalną grawitacji. W czasie zjazdu energia ta zamienia się w energię kinetyczną. Im niżej, tym większa prędkość, jeśli pomijamy tarcie.

W rzeczywistym świecie często działają tarcie i opory ruchu. Wtedy część energii mechanicznej zamienia się na energię wewnętrzną ciał, czyli na przykład na ogrzanie powierzchni, oraz czasem na dźwięk.

Przykład: gdy zjeżdżasz rowerem z górki, opony trą o podłoże, a powietrze stawia opór. Dlatego nie cała energia potencjalna zamienia się w kinetyczną. Część przechodzi w inne formy energii.

To nie znaczy, że energia znika. Znika tylko część energii mechanicznej układu, bo zamienia się ona na inne rodzaje energii. Dlatego trzeba uważać, czy w zadaniu zapisano, że tarcie i opór powietrza można pominąć.

Najpierw trzeba sprawdzić, jakie formy energii występują na początku i na końcu zjawiska. Potem porównujemy stan początkowy i końcowy układu.

Jeżeli można pominąć straty, przyjmujemy, że energia mechaniczna jest stała. Wtedy suma energii na początku jest równa sumie energii na końcu. Nie trzeba śledzić każdej chwili ruchu osobno — wystarczy porównać dwa wybrane momenty.

W prostych zadaniach pomaga myślenie słowami:

• wyżej oznacza większą energię potencjalną grawitacji,
• szybciej oznacza większą energię kinetyczną,
• bardziej rozciągnięta lub ściśnięta sprężyna oznacza większą energię sprężystości,
• większe tarcie oznacza większe straty energii mechanicznej.

Często pytanie nie dotyczy samej liczby, ale kierunku zmian. Wtedy trzeba umieć odpowiedzieć, która energia rośnie, a która maleje.

Energia mechaniczna to suma energii kinetycznej i potencjalnej. W ruchu bez strat energia może przechodzić z jednej postaci w drugą, ale jej całkowita wartość pozostaje stała.

W spadaniu bez oporu powietrza maleje energia potencjalna, a rośnie kinetyczna. W ruchu w górę bez oporów dzieje się odwrotnie. W przypadku sprężyny lub gumki energia sprężystości może zamienić się w energię ruchu.

Jeżeli pojawia się tarcie albo opór powietrza, część energii mechanicznej zamienia się zwykle w energię wewnętrzną i dlatego sama energia mechaniczna nie jest już zachowana dokładnie.