L'energia mecànica és una forma denergia associada al moviment i la posició dun objecte. Es compon de dos components principals: l'energia cinètica i l'energia potencial.
Hi ha molts tipus denergia mecànica, però tots es poden classificar entre energia cinètica i energia potencial. La cinètica està relacionada amb la velocitat i el potencial en la posició de l'objecte.
L'energia mecànica d'un cos és la suma de l'energia cinètica i l'energia potencial.
El principi de conservació de lenergia relaciona ambdues energies. En un sistema aïllat, on no hi ha intercanvi d'energia amb l'exterior, l'energia mecànica total es conserva, cosa que significa que la suma de l'energia cinètica i l'energia potencial es manté constant al llarg del temps.
No obstant això, en sistemes no aïllats, com els subjectes a forces externes o fricció, l'energia mecànica pot canviar degut a la conversió entre diferents formes d'energia.
Definició d'energia mecànica
Podem definir aquest tipus d'energia com “la capacitat de produir un treball mecànic que té un cos a causa de causes d'origen mecànic, com ara la posició o la velocitat”.
Tipus d'energia mecànica
L'energia mecànica es pot manifestar en diferents formes d'energia cinètica i de potencial. A continuació, s'esmenten alguns tipus comuns d'energia mecànica que combinen tots dos tipus:
-
Energia cinètica lineal: És lenergia associada al moviment en línia recta dun objecte a causa de la seva velocitat. En aquest cas, l'energia depèn de la massa de l'objecte i de la velocitat al quadrat. Per exemple, un automòbil en moviment té energia cinètica degut a la seva massa i velocitat.
-
Energia potencial gravitatòria: És lenergia associada a la posició dun objecte en un camp gravitatori, com lenergia que posseeix un objecte elevat en altura. Com més gran sigui l'alçada i la massa de l'objecte, més gran serà la seva energia potencial gravitatòria.
-
Energia potencial elàstica: És l'energia emmagatzemada en objectes elàstics, com ara ressorts, quan es comprimeixen o estiren. Quan s'allibera la tensió a l'objecte, aquesta energia es converteix en energia cinètica. La quantitat denergia potencial elàstica depèn de la quantitat de deformació de lobjecte elàstic.
-
Energia rotacional: És lenergia associada al moviment de rotació dun objecte al voltant dun eix. S'aplica principalment a objectes que giren, com ara rodes, engranatges o turbines. L'energia rotacional depèn de la massa de l'objecte, la distribució de massa i la velocitat angular.
-
Energia de vibració: És lenergia associada a les oscil·lacions o vibracions dun objecte. Es troba en sistemes com pèndols, cordes de guitarra o molècules en vibració.
Cal tenir en compte que aquests tipus denergia no són excloents entre si. És a dir, és possible que un objecte tinga energia cinètica lineal i energia potencial gravitatòria. Això passa, per exemple, en llançar una pilota a l'aire; mentre s'està elevant, té els dos tipus d'energia.
Energia cinètica: l'energia que depèn de la velocitat
L'energia cinètica és una forma d'energia, que té un cos en moviment a causa de la inèrcia de la massa.
L'energia cinètica és directament proporcional a la massa del cos i al quadrat de la velocitat. A més, l'energia cinètica d'un cos en moviment és igual a la feina requerida per portar el cos de l'estat de repòs a l'estat on es troba.
Hi ha diversos tipus d'energia cinètica. Tot i això, els dos tipus més importants són:
-
Energia cinètica de translació, on l'objecte es mou d'un punt a un altre
-
Energia cinètica de rotació, en què l'objecte gira sobre si mateix.
Energia potencial: l'energia que depèn de la posició
L'energia potencial és la feina que un objecte és capaç de fer com a resultat de l'estat de l'objecte. Aquest estat pot ser la ubicació en un camp de força (per exemple, la gravetat) o la configuració interna de lobjecte.
La magnitud de lenergia potencial no està definida en si mateixa. Només s'ha determinat la diferència de mida.
Hi ha diferents tipus d'energia potencial, dels quals destaquem els següents:
-
Energia potencial elàstica, que depèn de lenergia emmagatzemada al seu interior (per exemple, un moll).
-
Energia potencial gravitatòria, que depèn de la gravetat i, per tant, de lalçada.
-
Energia potencial elèctrica.
-
Energia potencial química, quan depèn de la composició química.
Per què serveix l'energia mecànica?
L'energia mecànica és fonamental en nombrosos aspectes de la nostra vida i té diverses aplicacions pràctiques. Aquí hi ha algunes maneres en què l'energia mecànica és útil:
Treball i moviment
Una aplicació de l'energia mecànica la trobem a l'hora de fer feina i generar moviment.
Per exemple, a la indústria, s'utilitza per accionar màquines i eines, permetent la fabricació i producció de béns. També és necessària per al funcionament de vehicles, com ara automòbils, avions i trens, que utilitzen aquest tipus d'energia per propulsar-se.
Generació d'electricitat
Una gran part de les maneres per generar electricitat utilitzen un treball mecànic durant el procés. Vegem-ne alguns exemples il·lustratius:
-
Les centrals nuclears fan servir turbines de vapor per convertir la calor en energia elèctrica mitjançant generadors.
-
A les centrals hidroelèctriques, l'energia cinètica de l'aigua en moviment que s'obté en deixar-la caure des de certa altura s'utilitza per fer girar turbines que, alhora, generen electricitat.
-
Les plantes denergia eòlica, utilitzen les aspes dels aerogeneradors per convertir lenergia cinètica del fluid (el vent) en energia cinètica de rotació. Així, l'energia associada a la velocitat de les molècules que es mouen, és a dir, el vent es converteix en energia mecànica.
Transport de persones i mercaderies
Els vehicles de motor, com ara automòbils, camions i avions, aprofiten l'energia mecànica per desplaçar-se.
Òbviament, el transport de persones i mercaderies també inclou els sistemes de transport públic, com ara trens i tramvies.
Maquinària i eines
A diversos sectors industrials, l'energia mecànica és fonamental per operar maquinària i eines. Des de la construcció i l'agricultura fins a la manufactura i la mineria, l'energia mecànica impulsa la maquinària utilitzada per dur a terme tasques com ara perforar, tallar, aixecar càrregues pesades i fer altres processos.
Recreació i esport
Les activitats recreatives i esportives són altres activitats on s'utilitza l'energia mecànica.
Per exemple, en esports com el ciclisme, l'atletisme o la natació, els moviments del cos humà generen i utilitzen energia mecànica ja que hi ha un desplaçament i, segons quins casos, una variació d'alçada.
A més, les atraccions de parcs de diversions, com ara muntanyes russes i sínies, fan ús d'aquesta energia per proporcionar emocions i entreteniment.
Exemples quotidians del dia a dia
En el dia a dia hi ha molts exemples d'energia mecànica:
-
Una pilota que cau: Si sostenim una pilota amb la mà, té l'energia potencial i no té energia cinètica. Si la deixem anar, començarà a adquirir velocitat ia perdre altura. Això és el mateix, augmenta l'energia cinètica i disminueix l'energia potencial.
-
Un motor elèctric el corrent elèctric es converteix en energia cinètica rotacional que serveix per impulsar el vehicle.
-
Un generador elèctric converteix lenergia mecànica en energia elèctrica. Es tracta del mateix cas del motor elèctric, però en sentit invers.
-
Una central hidroelèctrica (energia hidràulica) aprofita l'energia potencial de l'aigua a la part superior. Quan cau l'aigua, l'energia potencial es converteix en cinètica.
-
Un motor de combustió interna és un motor tèrmic que obté energia mecànica de lenergia química cremant combustible.
-
En el cas de lenergia eòlica els molins aprofiten lenergia cinètica de les molècules daire per girar dacord amb la teoria de la mecànica de fluids.