Mechanische Energie ist die Summe der Energie in einem mechanischen System oder einer Gruppe von Objekten, die basierend auf mechanischen Grundprinzipien interagieren. Dies beinhaltet sowohl kinetische Energie, die Bewegungsenergie, als auch potentielle Energie, die gespeicherte Energie der Position. Normalerweise ist in einem mechanischen System die Schwerkraft die einzige größere äußere Kraft, die berücksichtigt werden muss. In einem chemischen System hingegen müssen alle Kräfte zwischen einzelnen Molekülen und Atomen berücksichtigt werden.
Allgemeiner Hintergrund
Mechanische Energie existiert in einem System sowohl als kinetische als auch als potentielle Energie. Kinetische Energie ist immer dann vorhanden, wenn sich ein Objekt in Bewegung befindet. Die potentielle Energie basiert auf der Position eines Objekts; es ist gespeicherte Energie und kann alleine keine Arbeit verrichten. Es kann jedoch in andere Energieformen, einschließlich kinetischer Energie, umgewandelt werden. Eine Bowlingkugel, die beispielsweise 10 m über dem Boden aufgehängt ist, hat keine kinetische Energie, da sie sich nicht bewegt. Es hat jedoch eine große Menge potenzieller Energie (in diesem Fall potenzielle Gravitationsenergie), die in kinetische Energie umgewandelt würde, wenn der Ball fallen würde.
Der Physikunterricht an Gymnasien beginnt oft damit, dass die Schüler über die Grundprinzipien mechanischer Systeme und deren Energie unterrichtet werden. Dies liegt daran, dass sie in der Regel einfacher zu visualisieren und zu vereinfachen sind. Grundlegende Berechnungen zu diesen Systemen können ohne Kalkül durchgeführt werden. Bei den meisten einfachen physikalischen Problemen bleibt das mechanische System geschlossen und Faktoren, die dem System normalerweise Energie entziehen würden, wie Reibung und Luftwiderstand, werden ignoriert.
Wie man mechanische Energie berechnet
Die gesamte mechanische Energie kann einfach durch Addition der potentiellen und kinetischen Energie des Systems berechnet werden. Die potentielle Energie (PE) ist ein Produkt aus der Höhe des Objekts über dem Boden (h), seiner Masse (m) und der Erdbeschleunigung (g, die 9.8 m/s beträgt).
PE = h × m × g
Die kinetische Energie (KE) eines Objekts ist das Produkt aus 1/2 seiner Masse und seiner quadratischen Geschwindigkeit (v).
KE = 1/2mv2
Masse wird in Kilogramm (kg), Höhe in Meter (m), Geschwindigkeit in Meter pro Sekunde (m/s) und Energie in Joule (j) angegeben.
Zum Beispiel beträgt die potentielle Energie einer 5 Kilogramm (11 lbs) großen Bowlingkugel, die sich 3 Meter (10 ft) über dem Boden befindet, 147 Joule (5 kg × 3 m × 9.8 m/s2 = 147 j), unabhängig davon, ob die Kugel in ist Bewegung oder Ruhe. Wenn dieser Ball ebenfalls mit einer Geschwindigkeit von 2 m/s fällt, beträgt seine kinetische Energie 10 Joule (1/2 × 5 kg × 22 m/s = 10 j).
Sobald die potentielle und kinetische Energie bekannt ist, kann die gesamte mechanische Energie ermittelt werden. Die beiden Energiearten werden einfach addiert.
Mechanische Energie = PE + KE
In diesem Beispiel beträgt die mechanische Gesamtenergie der Bowlingkugel 157 Joule (147 j + 10 j = 157 j).
Mechanische vs. chemische und nukleare Energie
Es gibt viele andere Energieformen, und manchmal kann es schwierig sein, eine richtig von der anderen zu unterscheiden. Chemische Energie zum Beispiel ist die Energie, die in chemischen Bindungen in Molekülen gespeichert ist. Kernenergie ist die Energie, die bei Wechselwirkungen zwischen Teilchen im Atomkern vorhanden ist. Im Gegensatz dazu ignoriert mechanische Energie im Allgemeinen die Zusammensetzung von Objekten und betrachtet nur die fraglichen Objekte, ohne sich um ihre molekulare Zusammensetzung zu kümmern.
Dieser Fokus soll Berechnungen für mechanische Energie und mechanische Systeme vereinfachen. Objekte in diesen Systemen werden normalerweise als einzelne Objekte behandelt und nicht als Summe von Milliarden von Molekülen. Die Berechnung sowohl der kinetischen als auch der potentiellen Energie eines einzelnen Objekts ist eine einfache Aufgabe; Die Berechnung dieser Energiearten für Milliarden von Molekülen wäre äußerst schwierig. Ohne die Teile eines mechanischen Systems zu vereinfachen, müssten Wissenschaftler die einzelnen Atome und alle zwischen ihnen bestehenden Wechselwirkungen und Kräfte untersuchen. Dies ist typischerweise der Teilchenphysik vorbehalten.
Umwandlung zwischen Energiearten
Mechanische Energie kann mit speziellen Geräten in andere Energiearten umgewandelt werden. Generatoren sind zum Beispiel dafür ausgelegt, mechanische Arbeit aufzunehmen und in Strom umzuwandeln. Auch andere Energiearten können in mechanische Energie umgewandelt werden; Beispielsweise wandelt der Verbrennungsmotor in einem Auto die chemische Energie des Kraftstoffs in die mechanische Energie um, die das Auto in Bewegung setzt.