En anteriors articles analitzem a fons l'energia cinètica i tot el relacionat amb ella. En aquest cas, vam continuar amb la formació i passem a estudiar l'energia mecànica. Aquest tipus denergia és la que es produeix pel treball dun cos i pot ser transferida entre altres cossos. L'energia mecànica és la suma de l'energia cinètica (moviment) amb l'energia potencial elàstica i gravitatòria, generada per la interacció dels cossos en funció de la seva posició.
En aquest article us explicarem com funciona l'energia mecànica, com calcular-la i alguns exemples i aplicacions. Si vols entendre aquest concepte de manera clara i senzilla, continua llegint.
Explicació de l'energia mecànica
Posem-ne un exemple per explicar l'energia mecànica. Imagina que llancem una pilota des d'una certa alçada. Durant el llançament, la pilota posseeix energia cinètica a causa del seu moviment, mentre que en estar a l'aire també adquireix energia potencial gravitatòria per la seva posició respecte al terra. A mesura que s'eleva, l'energia potencial augmenta, i quan baixa, aquesta energia potencial es converteix en energia cinètica.
El braç que impulsa la pilota realitza un treball sobre ella, transferint-li energia cinètica. Si menyspreem la fricció amb l'aire, la pilota conservarà la seva energia mecànica total, que és la suma de la cinètica i la potencialitat. De fet, l'energia mecànica d'un sistema pot romandre constant quan no hi ha forces resistents com el frec.
És important recordar que la gravetat és una força constant (9,8 m/s² a la Terra) i sempre actua sobre els objectes. Així, lenergia mecànica calculada serà el resultat de la interacció entre la velocitat, la massa i lalçada dun cos. La unitat de mesura de l'energia mecànica és el juliol (J), segons el Sistema Internacional d'Unitats.
Fórmula de lenergia mecànica
L'energia mecànica (Em) és la suma de la energia cinètica (Ec) i l' energia potencial (Ep). Matemàticament, es pot expressar de la manera següent:
Em = Ec + Ep
Per calcular la energia cinètica (Ec), utilitzem la fórmula:
- Ec = 1/2 mv²
on m és la massa del cos i v és la velocitat.
Pel que fa a la energia potencial gravitatòria (Ep), la fórmula és:
- Ep = mgh
on m és la massa, g és l'acceleració provocada per la gravetat i h l'alçada.
D'aquesta manera, si coneixes la massa de l'objecte, la velocitat i l'alçada des de la qual es llança, podràs calcular-ne l'energia mecànica.
Principi de conservació de lenergia mecànica
Un principi fonamental en física és el que afirma que l'energia no es crea ni es destrueix, sinó que es transforma. Això es coneix com el principi de conservació de l'energia. En el cas de lenergia mecànica, aquest principi és vàlid si el sistema està aïllat, és a dir, si no hi ha forces no conservatives com la fricció.
Si llancem una pilota a l'aire, al punt més alt la seva energia cinètica serà nul·la, però la seva energia potencial gravitatòria serà màxima. Mentre baixa, l'energia potencial es transforma en energia cinètica. Durant aquest procés, l'energia mecànica total del sistema roman constant.
L'equació matemàtica que descriu aquest principi és la següent:
Em = Ec + Ep = constant
En sistemes reals, la presència de la fricció i altres forces no conservatives altera aquesta equació, fent que part de lenergia es dissipi en forma de calor o altres tipus. Tot i així, aquest principi continua sent útil per a l'anàlisi de nombrosos sistemes físics.
Exemples d'exercicis
Vegem alguns exercicis per il·lustrar com aplicar els conceptes anteriorment descrits:
-
- Seleccioneu l'opció incorrecta:
- a) L'energia cinètica és la que té un cos per estar en moviment.
- b) L'energia potencial gravitatòria és la que posseeix un cos per situar-se a una certa altura.
- c) L'energia mecànica total d'un cos continua constant fins i tot en la presència de fricció.
- d) L'energia de l'univers és constant i només es transforma.
- e) Quan un cos té energia cinètica, pot fer feina.
- Seleccioneu l'opció incorrecta:
L'opció incorrecta és la (C). L'energia mecànica no es conserva en presència de fricció, ja que part es dissipa en forma de calor.
- Un autobús amb massa m baixa per un pendent amb velocitat constant. El conductor manté els frens trepitjats, limitant la velocitat de l'autobús encara que estigui baixant d'una alçada h. Respon si les afirmacions següents són vertaderes o falses:
- La variació denergia cinètica de lautobús és nul·la.
- L'energia mecànica del sistema bus-terra es conserva.
- L'energia total del sistema bus-terra es conserva, encara que part es transforma en energia interna.
En aquest cas, la resposta correcta és V, F, V. L'energia cinètica no varia perquè la velocitat és constant; no obstant això, l'energia mecànica no es conserva a causa de l'augment de l'energia interna del sistema causada per la fricció.
Aquests exemples il·lustren la importància de comprendre com interactuen les forces i l'energia en diferents contextos. L´energia mecànica és clau en moltes aplicacions quotidianes, des del moviment d´un vehicle fins al salt d´un trampolí.
La comprensió correcta de l'energia mecànica no només és útil per aprovar exàmens, sinó també per entendre els fenòmens del món que ens envolta.