Słowo „potencjalna” oznacza tu, że jest ona związana z położeniem i oddziaływaniem, czyli jest jakby energią statyczną, nie związaną z ruchem. Rodzajów energii potencjalnych jest kilka, a różnią się one typem oddziaływania, z którym są związane - oprócz energii potencjalnej ciężkości mamy jeszcze energię potencjalną sprężystości (związaną z oddziaływaniami sprężystymi) oraz energię potencjalną elektrostatyczną (m.in. działającą na cząstki naładowane poruszające się w polu elektrycznym). Najprostszą postać energii potencjalnej otrzymujemy dla energii potencjalnej ciężkości ciał znajdujących się przy powierzchni ziemi. Wtedy wyraża się ona wzorem: Epot_ciezk = m · g · h Tutaj: m - masa ciała, g - przyspieszenie ziemskie, h - wysokość ponad poziom odniesienia na którym energia jest równa zero.

Powyższy wzór można potraktować jako wniosek z zależności podanej w rozdziale poprzednim. Napisano tam o energii potencjalnej: Epot_ciężk = Fciężkości · S Ale przecież  Fciężkości = m · g a droga S, to po prostu wysokość h.  Po podstawieniu dostaniemy: Epot_ciezk = m · g · h

Uwaga: Wysokość liczymy najczęściej od umownego "poziomu zerowego".

Energia kinetyczna

Inną, niezwykle ważną (jeśli nie w ogóle najważniejszą) postacią energii jest energia kinetyczna. Jej nazwa pochodzi od greckiego terminu „kineo” (ruch), co słusznie sugeruje, że jest ona związana z ruchem ciała.

Wartość energii kinetycznej jest równa pracy, jaką trzeba włożyć, aby rozpędzić ciało.

Po wykonaniu tej pracy rozpędzone ciało będzie posiadało energię ruchu - „zgromadzoną” pracę rozpędzania. Energię tę można z kolei wykorzystać na wykonanie zmian w otoczeniu - np. rozpędzona kula kamienna wystrzelona ze średniowiecznego działa może zburzyć mur, kula tocząca się po torze rozrzuca kręgle, rozpędzona woda porusza łopatki turbiny itp. W większości typowych przypadków odzyskanie, omawianej w poprzednim rozdziale, energii potencjalnej odbywa się za pośrednictwem energii kinetycznej. Energię kinetyczną obliczamy ze wzoru:  

Znaczenie symboli:
v - prędkość ciała
m - masa ciała

Zasada zachowania energii mechanicznej

Pojęcie energii mechanicznej jest niezwykle ważne z jednego powodu - w wielu sytuacjach, mimo zmiany różnych parametrów ruchu, sama energia nie zmienia się. 

Kiedy energia mechaniczna jest stała?

W przypadku ruchu ciał w polu grawitacyjnym bez tarcia. Ciało może lecieć, ślizgać się, spadać itp. Jednak nie może występować tarcie, lub inne sytuacje, w których energia mechaniczna ulega zmianom (np. oddawanie energii za pomocą sił elektrycznych, czy magnetycznych.

Sformułowanie 1 zasady zachowania energii mechanicznej

W dowolnym ruchu przebiegającym bez tarcia (i innych strat energii) energia mechaniczna układu izolowanego jest stała.

E_mechaniczna = const

Jeśli przyjrzymy się wzorowi na energię mechaniczną:

E_mechaniczna = E_potencjalna + E_kinetyczna 

To ze stałości energii mechanicznej wyniknie nam, że:

E_potencjalna + E_kinetyczna = const

Dlaczego tak się dzieje?

Jeśli przyjrzymy się wzorowi:

E_mechaniczna = E_potencjalna + E_kinetyczna 

to pewnie bez trudu zorientujemy się, że stałość sumy można zachować, jeśli ubytek jednego składnika jest natychmiast zrównoważony przyrostem drugiego składnika. Jeżeli więc podczas ruchu ubywa 5 J energii kinetycznej, to musi przybyć dokładnie 5 J energii potencjalnej (lub na odwrót).

W sytuacji na rysunku:

E_k1 + E_p1  = E_k2 + E_p2 

 

Inne możliwe sformułowania zasady zachowania energii mechanicznej

Sformułowanie 2:
Zmienić energię mechaniczną ciała można tylko poprzez dostarczenie jej z zewnątrz, lub w wyniku oddania obiektom zewnętrznym.

Sformułowanie 3:
Energia mechaniczna nie ginie, ani nie powstaje samorzutnie.

Sformułowanie 4:
Gdy nie występuje tarcie (lub inne straty energii), energia mechaniczna w jednym momencie ruchu jest taka sama jak w innym, dowolnie wybranym momencie ruchu.

Można to zapisać wzorami

E_{mech_układu_izolowanego} = const,

lub

E_{mech_całkowita_końcowa} =  E_{mech_całkowita_początk}

lub

E_{kinet_1} + E_{potencj_1}  = E_{kinet_2} + E_{potencj_2} 

---