אנרגיה מכנית

בפיזיקה, אנרגיה מכנית הוא מושג המתאר את סכום האנרגיה הפוטנציאלית והאנרגיה הקינטית, המוצגות כרכיבי מערכת מכנית. זוהי אנרגיה הקשורה בתנועה ובמיקום של גוף. חוק שימור האנרגיה קובע כי במערכת מבודדת, אשר כפופה רק לכוחות משמרים, כמו כוח הכבידה, האנרגיה המכנית היא קבועה. אם הגוף נע בכיוון ההפוך של שקול הכוחות המשמרים, האנרגיה הפוטנציאלית תגדל ואם גודל מהירות הגוף משתנה, האנרגיה הקינטית של הגוף משתנה גם כן. בכל מערכת שבה אין כוחות משמרים, כמו כוחות חיכוך, יהיו אשר יהיו הכוחות, לעיתים קרובות ערכיהם זניחים אבל האנרגיה המכנית הופכת לקבועה ולכן יכולה לשמש לקירוב שימושי. בהתנגשות אלסטית, האנרגיה המכנית משתמרת, אך בהתנגשות פלסטית, חלק מהאנרגיה המכנית מומרת לחום. הקשר בין איבוד אנרגיה מכנית ושינוי בטמפרטורות התגלה על ידי ג'יימס פרסקוט ג'אול. מכשירים מודרניים רבים, כגון מנוע חשמלי או מנוע קיטור, משמשים כיום כדי להמיר אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה, כגון אנרגיה חשמלית, או להמיר צורות אנרגיה אחרות, כמו חום, לאנרגיה מכנית. אנרגיה היא גודל סקלרי והאנרגיה המכנית של המערכת היא סכום של האנרגיה הפוטנציאלית – אשר נמדדת על פי המיקום של חלקי המערכת, והאנרגיה הקינטית – אשר נקראת גם אנרגיית תנועה: E mechanical = U + K {\displaystyle E_{\text{mechanical}}=U+K\,} חוק שימור האנרגיה המכנית קובע שאם גוף או מערכת כפופים רק לכוחות משמרים, האנרגיה המכנית הכוללת של הגוף או המערכת נשארת קבועה. ההבדל בין כוח משמר לזה שאינו משמר הוא שכאשר כוח משמר מניע גוף מנקודה אחת לאחרת, העבודה הנעשית על ידיו תלויה רק בנקודת ההתחלה והסיום ולא במסלול ובצורתו. לעומת זאת, כאשר כוח לא משמר פועל על גוף, העבודה שנעשית על ידו תלויה באורך ובצורת המסלול. אנרגיה פוטנציאלית, U, תלויה במיקום של הגוף וכפופה לכוח משמר. זה מוגדר כיכולת של גוף לבצע עבודה, והאנרגיה הפוטנציאלית גדלה ככל שהגוף נע בכיוון ההפוך לכיוון הכוח. אם F מייצג את הכוח המשמר ו-x את המיקום, האנרגיה הפוטנציאלית של הכוח בין שני הגבולות x1 ו-x2 מוגדרת כאינטגרל השלילי של F מנקודה x1 לנקודה x2: U = − ∫ x 1 x 2 F → ⋅ d x → {\displaystyle U=-\int \limits _{x_{1}}^{x_{2}}{\vec {F}}\cdot d{\vec {x}}} אנרגיה קינטית, K, תלויה במהירותו של הגוף והיא מוגדרת כיכולת של גוף נע לבצע עבודה על גופים אחרים כאשר הוא מתנגש בהם. היא מוגדרת כמחצית מסת הגוף בריבוע המהירות שלו, האנרגיה הקינטית הכוללת של מערכת גופים היא סכום האנרגיות הקינטיות של הגופים השונים: K = 1 2 m v 2 {\displaystyle K={1 \over 2}mv^{2}} מבין שלושת חוקי השימור הגדולים של המכניקה קלאסית, חוק שימור האנרגיה נחשב לחשוב ביותר. על פי חוק זה, האנרגיה המכנית של מערכת מבודדת נותרת קבועה בזמן, כל עוד המערכת היא ללא כל כוחות חיכוך, כולל החיכוך הפנימי שבסופו של דבר מתחולל מההתנגשויות של הגופים השוכנים במערכת. בכל מצב אמיתי, כוחות חיכוך וכוחות לא משמרים אחרים הם תמיד נוכחים במערכת, אבל במקרים רבים השפעתם על המערכת כל כך מזערית כך שעקרון שימור האנרגיה המכנית יכול לשמש לקירוב סביר. אף על פי שאנרגיה לא ניתנת ליצור ואף לא נהרסת במערכת מבודדת, האנרגיה עלולה להיות מומרת לכל צורה אחרת של אנרגיה. כך, במערכת מכנית כמו מטוטלת מתנדנדת, הנתונה לכוח הכבידה, כח משמר, שבה כוחות חיכוך כמו חיכוך האוויר וחיכוך על הצירים הם זניחים, אנרגיה עוברת הלוך ושוב בין האנרגיה הקינטית לאנרגיה פוטנציאלית אבל אף פעם לא עוזבת את המערכת. במטוטלת האנרגיה הקינטית מומרת לאנרגיה הפוטנציאלית, ולהפך, אבל לעולם לא נעלמת מהמערכת. כאשר המטוטלת מגיעה למצב אנכי, היא משיגה הכי הרבה אנרגיה קינטית והכי פחות אנרגיה פוטנציאלית וזה נובע מכך שבנקודה זאת גודל המהירות הוא הגדול ביותר וכן המטוטלת קרובה ביותר לכדור הארץ בנקודה זו. מצד שני, יהיה לה הכי פחות אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית מרבית כאשר היא תהיה בעמדות הקיצוניות של הנדנדה שלה, כי שם גודל המהירות הוא אפס והמטוטלת רחוקה ביותר מפני כדור הארץ בנקודות אלו. עם זאת, כאשר לוקחים את כוחות החיכוך בחשבון, המערכת מאבדת אנרגיה מכנית עת נדנודה נזה בגלל העבודה שנעשית על ידי המטוטלת במטרה להתנגד לכוחות הלא משמרים כגון החיכוך. העובדה שאובדן אנרגיה מכנית במערכת מביאה תמיד לעלייה בטמפרטורה של המערכת, כבר ידוע מזה זמן רב, אבל היה זה הפיזיקאי ג'יימס פרסקוט ג'אול הראשון שהוכיח באופן ניסיוני איך כמות מסוימת של העבודה שנעשתה נגד כוח חיכוך הביאה לכמות מוגדרת של חום אשר מצויה בהתנגשות של תנועות אקראיות של חלקיקים וזהו עניין מורכב בפני עצמו. שקילות זו בין אנרגיית חום לאנרגיה מכנית חשובה במיוחד כאשר בוחנים גופים מתנגשים. בהתנגשות אלסטית, האנרגיה המכנית משתמרת, כלומר סכומן של האנרגיות הקינטיות של הגופים המתנגשים זהה לפני ואחרי ההתנגשות. לאחר ההתנגשות פלסטית, לעומת זאת, האנרגיה המכנית הכוללת של המערכת משתנה. בדרך כלל, האנרגיה המכנית הכוללת אחרי ההתנגשות היא קטנה יותר מאשר האנרגיה המכנית הכוללת הראשונית והאנרגיה המכנית האובדת מומרת לחום. עם זאת, האנרגיה המכנית הכוללת יכולה להיות גדולה יותר לאחר התנגשות פלסטית אם למשל ההתנגשות גורמת לפיצוץ אשר ממיר אנרגיה כימית לאנרגיה מכנית. בהתנגשות פלסטית, החלקיקים הקטנים ביותר מהם הגוף מורכב, מזועזעים ומטולטלים מעלה ומטה. בקנה מידה קטן, תנועות אלו נצפו כעלייה בחום והן זקוקות לאנרגיה הקינטית שנלקחה מהתנועה הרחבת היקף של הגופים שנצפו באופן ישיר. לכן, האנרגיה הכוללת של המערכת נותרת ללא שינוי למרות שינוי באנרגיה המכנית. כיום, אמצעים טכנולוגיים רבים ממירים אנרגיה מכנית לצורות אחרות של אנרגיה ולהפך. התקנים אלה יכולים להיות ממוקמים בקטגוריות הבאות: מנוע חשמלי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית. גנרטור הממיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית. מנוע בעירה פנימית הוא מנוע חום אשר מקבל אנרגיה מכנית מאנרגיה כימית על ידי שריפת דלק. מאנרגיה מכנית זו, מנוע הבעירה הפנימית לעיתים קרובות מייצר חשמל. מנוע קיטור ממיר את אנרגיית חום של קיטור לאנרגיה מכנית. הטורבינה הופכת את האנרגיה הקינטית של זרם של גז או נוזל לאנרגיה מכנית. סיווג של אנרגיה לסוגים שונים לעיתים קרובות מלווה את גבולות תחומי המחקר והלימוד במדעי הטבע. אנרגיה כימית היא סוג של אנרגיה פוטנציאלית שמאוחסנת בקשרים כימיים, והיא נלמדת בכימיה. אנרגיה גרעינית היא האנרגיה האצורה בתוך אינטראקציות בין חלקיקים בגרעין האטום, והיא נלמדת בפיזיקה גרעינית. אנרגיה אלקטרומגנטית היא בצורה של מטענים חשמליים, שדות מגנטיים, ופוטונים. היא נלמדת באלקטרומגנטיות. צורות שונות של אנרגיה, מכניקת הקוונטים למשל, צופה את רמות אנרגיה של האלקטרונים באטום. כאשר מודדים אנרגיה מכנית, גוף נחשב לשלם, שנאמר על ידי אייזק ניוטון: "התנועה של גוף שלם היא סכום של תנועות החלקים; כלומר, שינוי במיקום של חלקי המערכת, משנה את מיקומו השלם של הגוף ולכן האנרגיה היא פנימית במערכת".[דרוש מקור] בפיזיקה, המהירות היא גודל סקלרי ו-v הוא וקטור. במילים אחרות, v היא המהירות בכיוון ולכן יכולה להשתנות מבלי לשנות את גודל מהירות הגוף שכן מהירות היא גודל מספרי של v. חוקי השימור האחרים הם שימור תנע קווי ושימור תנע זוויתי. אנרגיה מכנית, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)