Työenergiaperiaatteet

Työenergiaperiaatteet ovat mekaniikan periaatteita, jotka yhdistävät voiman tekemän työn ja energian muutokset liikkeessä olevissa järjestelmissä. Ne kuvaavat, miten voimien aiheuttama työ muuttaa kappaleen kineettistä energiaa ja miten energian muodot – kineettinen energia, potentiaalienergia ja joissain tapauksissa lämmön – voivat vaihtua toisikseen. Periaatteita sovelletaan sekä yksittäisiin kappaleisiin että laajempiin järjestelmiin.

Yksinkertaisin muoto on työ-energian lause: ulkoinen työ muuttaa kappaleen kineettistä energiaa. Jos kappaleen massa on m ja nopeus siirtyy v_i:stä v_f:ään, ΔK = 1/2 m (v_f^2 − v_i^2) ja W = ΔK. Työ voidaan kirjoittaa myös W = ∫ F · ds. Kun vaikuttavat vain konservatiiviset voimat, työ vastaa potentiaalienergian muutosta W = −ΔU ja mekaaninen energia K + U pysyy vakiona.

Energiaa voidaan tarkastella myös jatkuvissa ja deformoituvissa järjestelmissä: ulkoinen työ muuntaa energiaa kineettisestä energiasta potentiaalienergiaan ja päinvastoin, ja epäkonservatiiviset voimat (kuten kitka) muuntavat osan energiasta lämmöksi. Työ-energia-periaatteita hyödynnetään tekniikassa ja analyysissä, esimerkiksi dynaamisissa ongelmissa, iskutilanteissa ja rakenteiden energiamallinnossa.

Lyhyesti, työ-energian periaatteet antavat yleisen tavan kuvata dynamiikkaa energian muutosten kautta ja ne ovat keskeisiä sekä perusopetuksessa että sovellettuissa laskelmissa.