物体或系统的机械能定义为其势能和动能之和。顾名思义，该系统通过机械力（例如重量和弹力）的作用获得机械能。
根据身体拥有的机械能的数量，它还将具有执行机械功的能力。
图1.过山车的运动可以通过机械能的守恒来描述。资料来源：
能量-无论是哪种类型-都是标量，因此缺乏方向和意义。设E m为物体的机械能，U为势能，K为动能，计算公式为：
国际能源系统中任何类型的单位都是焦耳，缩写为J。1 J等于1 Nm（牛顿/米）。
关于动能，其计算如下：
其中m是物体的质量，v是物体的速度。动能始终是正数，因为质量和速度的平方是正。关于势能，如果是重力势能，我们有：
在这里，m仍然是质量，g是重力加速度，h是相对于参考高度或地面的高度。
现在，如果所讨论的物体具有弹性势能-可能是弹簧-这是因为它被压缩或拉长了。在这种情况下，相关的势能为：
以k作为弹簧常数，其指示变形的容易程度或困难程度，以及所述变形的长度x。
机械能的概念和特征
再深入到前面给出的定义中，机械能取决于与身体运动相关的能量：动能，加上势能的贡献，正如我们已经说过的那样，由于其重量和重量，它们是重力的。身体相对于地面或参考水平的位置。
让我们用一个简单的例子来说明这一点：假设您在地面上静止着一个锅。由于它静止不动，因此它没有动能，它也位于地面上，不能从中掉落。因此它缺少重力势能，并且其机械能为0。
现在假设有人将锅放在3.0米高的屋顶或窗户的边缘。为此，这个人必须做反重力的工作。锅现在具有重力势能，它可以从该高度掉落，并且其机械能不再为零。
图2.窗口顶部的花盆具有重力势能。资料来源：
在这些情况下，锅的E m = U，并且该量取决于锅的高度和重量，如前所述。
假设锅因为处于不稳定状态而倒下。当它下落时，它的速度增加，并且它的动能也增加，而重力势能减少，因为它失去了高度。在坠落的任何瞬间的机械能为：
保守和非保守力量
当锅处于一定高度时，它具有重力势能，因为无论抬高它的人都会反作用重力。当锅从相同的高度掉落时，此功的大小等于重力的大小，但由于它是相反的，因此具有相反的符号。
由重力和弹性之类的力完成的工作仅取决于对象获取的初始位置和最终位置。从一个方向走到另一个方向并不重要，只有价值观本身很重要。以这种方式起作用的力称为保守力。
并且由于它们是保守的，因此它们允许它们完成的工作作为势能存储在对象或系统的配置中。这就是为什么窗户或屋顶边缘的锅具可能掉落并随之移动的原因。
相反，有些力的作用取决于作用对象所遵循的路径。摩擦属于这种力。从多处转弯的地方到另一处转弯时，鞋子的鞋底磨损会比直接转弯时穿的鞋底更多。
摩擦力确实会降低物体的动能，因为它会减慢物体的动能。这就是为什么发生摩擦的系统的机械能趋于降低的原因。
例如，用力完成的某些工作会因热量或声音而丢失。
机械能的类型
正如我们所说，机械能是动能和势能之和。现在，势能可以来自各种保守力：重量，弹力和静电力。
-动能
动能是始终来自运动的标量。运动中的任何粒子或物体都具有动能。沿直线移动的物体具有平移动能。如果旋转，也会发生同样的情况，在这种情况下，我们说的是旋转动能。
例如，在道路上行驶的汽车具有动能。还是在田野中移动时的足球球，或者急于上班的人。
-势能
总是有可能将一种称为势能的标量函数与保守力关联。区别如下：
重力势能
所有物体都凭借其距地面的高度或如此选择的参考高度而具有该物体。例如，某人在一个10层建筑物的露台上休息，相对于露台层，但相对于低于10层的街道，势能为0。
弹性势能
它通常存储在诸如橡皮筋和弹簧之类的物体中，这与它们在拉伸或压缩时所经历的变形有关。
静电势能
由于它们之间的静电相互作用，它被存储在平衡的电荷系统中。假设我们有两个相同符号的电荷相隔一小段距离；由于具有相同符号的电荷会相互排斥，因此可以预期，某些外部媒介已经完成了使它们更靠近的工作。
放置好它们之后，系统将以静电势能的形式存储代理为配置它们所做的工作。
节约机械能
回到下降罐，当它处于屋顶边缘时所具有的重力势能被转化为运动的动能。这增加了第一个的代价，但是两者的总和保持恒定，因为锅的下落是由重力（一种保守的力）激活的。
一种能量与另一种能量之间存在交换，但原始量是相同的。因此，确认以下内容是有效的：
或者：
换句话说，机械能不变且∆E m = 0。符号“ ∆”表示最终数量和初始数量之间的变化或差异。
为了将机械能守恒原理正确地应用于解决问题，有必要注意：
-仅当作用在系统上的力比较保守（重力，弹性和静电）时才适用。在这种情况下：∆E m = 0。
-研究中的系统必须隔离。任何意义上都没有能量转移。
-如果摩擦出现问题，则∆E m ≠0。即使是这样，也可以通过寻找由保守力完成的功来解决该问题，因为这是机械能降低的原因。
扣除机械能守恒
假设保守力作用于确实为W的系统。这项工作引起了动能的变化：
将这些等式等同起来，因为它们都引用了在对象上完成的工作：
下标表示“最终”和“初始”。分组：
机械能的例子
许多物体具有复杂的运动，其中很难找到位置，速度和加速度随时间变化的表达式。在这种情况下，采用机械能守恒原理比尝试直接应用牛顿定律更为有效。
让我们看一些保存机械能的示例：
- 假设没有摩擦，滑雪者可以在雪山上下坡滑行。在这种情况下，重量是导致沿整个轨迹运动的力。
- 过山车是最典型的例子之一。在这里，重量也是定义运动的力，如果没有摩擦力，则机械能得以保留。
- 简单的摆锤由附着在不可伸展的琴弦上的质量组成-长度不变- 该质量与竖直方向短暂分开，可以摆动。我们知道它最终将因摩擦而制动，但是当不考虑摩擦时，机械能也得以保留。
- 一块撞击弹簧的块，一端固定在墙上，所有弹簧都放在非常光滑的桌子上。滑块压缩弹簧，行进一定距离，然后由于弹簧被拉伸而沿相反方向抛出。在这里，由于弹簧的作用，砌块获得了其潜在的能量。
- 弹簧和球：弹簧受球压缩时会反弹。这是因为当释放弹簧时，势能在球中转换为动能。
- 蹦床跳跃：它的工作原理类似于弹簧，弹性地推动跳跳的人。这在跳起时利用了其重量，从而使跳板变形，但是在返回到其原始位置时，这为跳接器提供了动力。
图3.蹦床就像泉水一样，推动人们向上跳。资料来源：
解决的练习
-练习1
质量为m = 1 kg的物体从1 m的高度下降到斜坡上。如果斜坡非常平滑，则在弹簧碰撞时求出物体的速度。
图4.物体在没有摩擦的情况下下降到斜坡上，并压缩了附着在墙上的弹簧。资料来源：F. Zapata。
解
该声明告知坡道是平滑的，这意味着作用在身体上的唯一力是其重量，这是一种保守力。因此，表明在路径的任何点之间应用机械能守恒。
考虑图5中标记的点：A，B和C。
图5.物体遵循的路径是无摩擦的，并且在任何一对点之间都保留了机械能。资料来源：F. Zapata。
可以在A与B，B与C或A与C或斜坡之间的任何点之间设置能量守恒。例如，在A和C之间，您具有：
当它从A点释放时，速度v A = 0，另一方面h C =0。此外，质量m抵消了，因为它是一个公因数。所以：
如果弹簧的弹性常数为200 N / m，则求出练习1中的弹簧将承受的最大压缩力。
解
弹簧的弹簧常数表示将其变形一个单位长度所需的力。由于该弹簧的常数为k = 200 N / m，因此表明压缩或拉伸1 m需要200N。
令x为物体在点D停止之前压缩弹簧的距离：
图6.对象将弹簧压缩一段距离x并立即停止。资料来源：F. Zapata。
C点和D点之间的能量守恒确定：
在C点，它的高度为0，因此没有重力势能，但它具有动能。D完全停止，因此K D = 0，而是提供了压缩弹簧U D的势能。
机械能守恒为：
½mv C 2 =½kx 2
参考文献
- Bauer，W.2011。《工程与科学物理学》。第1卷。麦格劳·希尔（Mc Graw Hill）。
- Figueroa，D.，2005年。系列：科学与工程物理。第1卷。运动学。由Douglas Figueroa（USB）编辑。
- Knight，R.，2017年。《科学家与工程物理：一种策略方法》。皮尔森
- 西曼·泽曼斯基。2016.大学物理与现代物理学。14日 编辑卷1。
- 维基百科。机械能从es.wikipedia.org中恢复。