Lai paveiktu darbu, ir vajadzīga enerģija, piemēram, pirms iet uz skolu vai darbu, mēs kaut ko ieēdam.
Enerģiju var definēt kā fizikālas sistēmas spēju veikt darbu. Padarītais darbs ir vienāds ar enerģijas izmaiņu, kas nepieciešama darba veikšanai, tādēļ gan darbam, gan enerģijai ir viena un tā pati mērvienība – džouls (J) (1. att.).
1.att. Ja 1 N liela spēka ietekmē ķermenis veic 1 m lielu pārvietojumu, tad tiek padarīts 1 J liels darbs un iztērēta 1 J liela enerģija
Enerģija var izpausties divās formās:
1) kinētiskā enerģija;
2) potenciālā enerģija
Kinētiskā enerģija jeb kustības enerģija piemīt kustībā esošam ķermenim (2. att.). Kinētisko enerģiju aprēķina, izmantojot izteiksmi Ek= mv2:2, kur m – ķermeņa masa, bet v – kustības ātrums.
2.att. Braucošai automašīnai piemīt kinētiskā enerģija.
Ķermenim nav obligāti jābūt taisnlīnijas kustībā, lai tam piemistu kinētiskā enerģija. Arī rotējošiem ķermeņiem ir noteiks kinētiskās enerģijas daudzums (3. att.), ko aprēķina, izmantojot izteiksmi E=Iω2:2, kur l ir ķermeņa inerces moments, bet ω – rotācijas leņķiskais ātrums.
3.att. Datora cietais disks parasti nemēdz kustēties prom no datora korpusa, tomēr šīs datora komponentes iekšpusē notiek atmiņas elementa rotācijas kustība, kas piešķir tam kinētisko enerģiju
Sadaļā par darbu noskaidrojām, ka, palaižot vaļā virs zemes paceltu ķermeni, smaguma spēks veic darbu, lai ķermenis kristu zemes virzienā. Līdz ar to var secināt, ka arī paceltam ķermenim piemīt spēja veikt darbu, kaut gan tas neatrodas kustībā. Šādā gadījumā saka, ka ķermenim ir potenciālā enerģija (4.att.). Svarīgi ir tas, ka, nosakot potenciālo enerģiju, ir jāpieņem nulles līmenis, piemēram, zemes virsma vai grīda.
4.att. Lai arī cilvēks ir aizmidzis krēslā un daudz nekustas, tā masas centrs atrodas noteiktā augstumā virs zemes un tam piemīt potenciālā enerģija
Ja ķermenis kāda spēka ietekmē maina savu augstumu, tad mainās tā potenciālā enerģija. Piemēram, ja ķermenis ir pakļauts kādam no sviediena veidiem, tad tā vertikālo kustību ietekmē smaguma spēks (5. att.).
5.att. Monster Truck šova laikā iespaidīgie automobiļi veic galvu reibinošus trikus, kuros tiem jārēķinās ar uz automobili darbojošos smaguma spēku
Ja apskata potenciālo enerģiju divās ķermeņa pozīcijās ar augstumiem h1 un h2, tad potenciālās enerģijas starpība vienāda ∆Ep=mgh1- mgh2=mg(h1-h2). Šis lielums arī ir vienāds ar smaguma spēka veikto darbu (6. att.).
6.att. Smaguma spēka veiktais darbs ir vienāds ar automobiļa potenciālās enerģijas izmaiņu dažādās pozīcijās
Smaguma spēks nav vienīgais, kas ietekmē mūsu vertikālās kustības dinamiku. Izmantojot, piemēram, liftu vai eskalatoru (7. att.), elektromotori veic darbu, lai pārvietotu mūs noteiktā augstumā un izmainītu mūsu potenciālo enerģiju.
7.att. Pārvietojoties ar eskalatoru, elektromotori padara darbu, lai izmainītu mūsu potenciālo enerģiju
Ja tiek deformēts kāds elastīgs ķermenis, tad šādā gadījumā arī tiek uzkrāta enerģija, jo, pārtraucot deformāciju, ķermenis ir spējīgs veikt darbu. Piemēram, ja tiek nospiesta poga uz tālvadības pults (8. att.), tad pēc pogas atlaišanas tā atgriežas sākotnēja stāvoklī, veicot darbu uz uzkrātās potenciālās enerģijas rēķina.
8.att. Tālvadības pults pogas tiek veidotas no elastīga materiāla, kas deformācijas laikā uzkrāj potenciālo enerģiju, ko vēlāk var izmantot, lai atgrieztu pogu sākuma stāvoklī
Ja pogai ir jāpadara lielāks mehāniskais darbs, nekā tas ir, piemēram, 8. attēlā redzamajai pultij, tad pogas mehānismā iebūvē atsperi, kas uzkrāj potenciālo enerģiju un veic nepieciešamo darbu pogas atgriešanai sākuma stāvoklī (9. att.).
9.att. Drošības noteikumu ietvaros Lielā hadronu paātrinātāja (LHC) darbības apturēšanai ir ierīkota liela, sarkana poga, kuras mehānismā ir atspere, kas pogas lietošanas gadījumā to atgriež sākotnējā stāvoklī
Līdzīgi kā brīvās krišanas un smaguma spēka gadījumā, arī deformētas atsperes veiktais darbs ir vienāds ar potenciālās enerģijas izmaiņu. Ja par potenciālās enerģijas nulles līmeni pieņem atsperes nedeformēto stāvokli, tad atsperes potenciālā enerģija vienāda ar Ep=k*(∆x)2:2, kur k – atsperes stinguma koeficients, bet ∆x– deformācijas lielums (10. att.).
10.att. Atsperes uzkrāto potenciālo enerģiju var izrēķināt, ja zina atsperes stinguma koeficientu un deformācijas lielumu
Ķermenim reizē var būt gan kinētiskā, gan potenciālā enerģija, līdz ar to ķermeņa stāvokli var raksturot, ja izmanto abus šos enerģijas veidus. Potenciālās un kinētiskās enerģijas summu sauc par pilno mehānisko enerģiju (11. att.).
11.att. Ķermeņa pilno mehānisko enerģiju veido kinētiskās un potenciālās enerģijas summa
Ja aplūkotais ķermenis neatrodas mijiedarbībā ar citiem ķermeņiem, tad pilnā mehāniskā enerģija paliek nemainīgs lielums, tas ir viens no universālajiem fizikas likumiem – enerģijas nezūdamības likums. Tas nosaka, ka enerģija nezūd un nerodas no jauna, bet tikai maina savu formu. Tāpēc, ja palielinās vai samazinās kinētiskā enerģija, tad attiecīgi samazinās vai palielinās potenciālā enerģija.
Kopumā var secināt, ka enerģija (gan potenciālā, gan kinētiskā) raksturo ķermeņa stāvokli un tās izmaiņa ir vienāda ar paveikto darbu.