POTENCIALNA ENERGIJA: ZNAČILNOSTI, VRSTE, IZRAČUN IN PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Potencialna energija je energija, da so organi v skladu s svojo lastno konfiguracijo. Kadar predmeti medsebojno delujejo, med njimi obstajajo sile, ki so sposobne za delo, in ta sposobnost dela, ki je shranjena v njihovi ureditvi, se lahko prevede v energijo.

Na primer, ljudje že od nekdaj izkoriščajo potencialno energijo slapov, najprej s predilnicami in nato na hidroelektrarnah.

Niagarski slapovi: ogromen rezervoar gravitacijske potencialne energije. Vir: Pixabay.

Po drugi strani pa imajo številni materiali izjemno sposobnost, da dela opravijo tako, da se deformirajo in nato vrnejo v prvotno velikost. V drugih okoliščinah pa razporeditev električnega naboja omogoča shranjevanje električne potencialne energije, na primer v kondenzatorju.

Potencialna energija ponuja veliko možnosti, da se preoblikuje v druge oblike uporabne energije, zato je pomembno poznavanje zakonov, ki jo urejajo.

Izvor potencialne energije

Potencialna energija predmeta ima svoj izvor v silah, ki vplivajo nanj. Vendar je potencialna energija skalarna količina, sile pa vektorske. Zato je za določitev potencialne energije dovolj, da navedete njeno numerično vrednost in izbrane enote.

Druga pomembna kakovost je vrsta sile, s katero je mogoče shraniti potencialno energijo, saj nima vsaka sila te vrline. Le konservativne sile hranijo potencialno energijo v sistemih, na katerih delujejo.

Konzervativna sila je tista, za katero delo ni odvisno od poti, ki ji sledi objekt, temveč le od izhodišča in točke prihoda. Sila, ki poganja padajočo vodo, je gravitacija, ki je konzervativna sila.

Po drugi strani imajo tudi elastične in elektrostatične sile to kakovost, zato je z njimi povezana potencialna energija.

Sile, ki ne izpolnjujejo zgoraj omenjene zahteve, se imenujejo nekonzervativne; Primeri teh so trenje in zračni upor.

Vrste potencialne energije

Ker potencialna energija vedno izvira iz konzervativnih sil, kot so že omenjene, govorimo o gravitacijski potencialni energiji, elastični potencialni energiji, elektrostatični potencialni energiji, jedrski potencialni energiji in kemični potencialni energiji.

Gravitacijska potencialna energija

Vsak predmet ima potencialno energijo kot funkcijo svoje višine od tal. To na videz preprosto dejstvo ponazarja, zakaj padajoča voda lahko poganja turbine in se sčasoma spremeni v električno energijo. Tu prikazan primer smučarjev prikazuje tudi razmerje med težo in višino in gravitacijsko potencialno energijo.

Drug primer je avtomobil z drsnimi vozili, ki ima večjo potencialno energijo, ko je na določeni višini nad tlemi. Ko doseže raven tal, je njegova višina enaka nič in vsa njegova potencialna energija se je pretvorila v kinetično (energijo gibanja).

Animacija prikazuje izmenjavo med gravitacijsko potencialno energijo in kinetično energijo predmeta, ki se giblje po rolerju. Vsota obeh energij, ki se imenuje mehanska energija, je ves čas gibanja konstantna. Vir: Wikimedia Commons.

Elastična potencialna energija

Predmeti, kot so vzmeti, loki, prečke in gumijasti trakovi, lahko shranijo elastično potencialno energijo.

Z risanjem loka lokostrelec opravi delo, ki je shranjeno kot potencialna energija sistema lok-puščica. Ko sprostite lok, se ta energija pretvori v gibanje puščice. Vir: Pixabay.

Elastičnost telesa ali materiala je opisana s Hookeovim zakonom (do določenih meja), ki nam pove, da je sila, ki jo lahko deluje, ko jo stisnemo ali raztegnemo, sorazmerna z njeno deformacijo.

Na primer v primeru vzmeti ali vzmeti to pomeni, da bolj ko se skrči ali raztegne, večjo silo lahko izvaja na predmet, nameščen na enem koncu.

Elektrostatična potencialna energija

To je energija, ki jo imajo električni naboji zaradi svoje konfiguracije. Električni naboji istega znaka se odbijajo med seboj, zato mora par zunanjih agentov v določen položaj postaviti svoje delo. Sicer bi se ponavadi ločili.

To delo je shranjeno na način, na katerega so se nahajale obremenitve. Bližje ko sta naboja istega znaka, večjo potencialno energijo bo imela konfiguracija. Pri obremenitvah različnih znakov se zgodi ravno obratno; Ko se drug drugega privlačita, bližje kot sta, manj potencialne energije imata.

Jedrska potencialna energija

Približna reprezentacija helijevega atoma. V jedru so protoni predstavljeni v rdeči, nevtroni pa v modri.

Atomsko jedro sestavljajo protoni in nevtroni, splošno imenovani nukleoni. Prve imajo pozitiven električni naboj, druge pa nevtralne.

Ker so strnjeni v majhen prostor onkraj domišljije in vedoč, da naboji istega znaka odbijajo drug drugega, se človek sprašuje, kako atomsko jedro ostane povezano.

Odgovor se skriva v drugih silah poleg elektrostatične odbojnosti, značilnih za jedro, kot sta močna jedrska interakcija in šibka jedrska interakcija. To so zelo močne sile, ki daleč presegajo elektrostatično silo.

Kemična potencialna energija

Ta oblika potencialne energije izvira iz tega, kako so atomi in molekule snovi razporejene glede na različne vrste kemičnih vezi.

Ko pride do kemične reakcije, se ta energija lahko pretvori v druge vrste, na primer s pomočjo celice ali električne baterije.

Primeri potencialne energije

Potencialna energija je v vsakdanjem življenju prisotna na več načinov. Opazovanje njegovih učinkov je tako enostavno kot postavljanje katerega koli predmeta na določeno višino in gotovost, da se lahko kadar koli zasuka ali pade.

Tu je nekaj manifestacij predhodno opisanih vrst potencialne energije:

-Vrtiljak

-Karčki ali žoge, ki se valjajo navzdol

-Barke in puščice

-Električne baterije

- Nihajna ura

Ko se ena od sfer na koncih sproži v gibanje, se gibanje prenese na ostale. Vir: Pixabay.

-Šivanje na gugalnici

-Skoči na trampolin

-Koristite izvlečen peresnik.

Glej: primeri potencialne energije.

Izračun potencialne energije

Potencialna energija je odvisna od dela, ki ga opravi sila in to posledično ni odvisno od poti, zato lahko trdimo, da:

-Če sta A in B dve točki, je delo W _{AB, ki je} potrebno za prehod od A do B, enako delu, ki je potrebno za prehod iz B v A. Torej: W _AB = W _BA , torej:

- In če se dve omenjeni poti 1 in 2 poskušata povezati omenjeni točki A in B, je tudi delo, opravljeno v obeh primerih, isto:

W ₁ = W ₂ .

V obeh primerih predmet doživi spremembo potencialne energije:

No, potencialna energija objekta je opredeljena kot negativna na delo, ki ga opravi (konzervativna) sila:

Ker pa je delo opredeljeno s tem integralom:

:

Upoštevajte, da so enote potencialne energije enake enotam dela. V mednarodnem sistemu SI je enota joule, ki ga je angleški fizik James Joule (1818-1889) skrajšal J in je enak 1 newton x meter.

Druge energetske enote vključujejo cgs erg, funt x foot, BTU (British Thermal Unit), kalorije in kilovatno uro.

Poglejmo v nadaljevanju nekaj posebnih primerov, kako izračunati potencialno energijo.

Izračun gravitacijske potencialne energije

V bližini zemeljske površine se sila gravitacije usmeri navpično navzdol, njena velikost pa je dana z enačbo Teža = masa x gravitacija.

Ko označimo navpično os s črko "y" in dodelimo tej smeri enoto vektorja j , pozitivno navzgor in negativno navzdol, sprememba potencialne energije, ko se telo premika iz y = y _A v y = in _B je :

Izračun potencialne energije elastike

Hookeov zakon nam pravi, da je sila sorazmerna z deformacijo:

Tu je x napetost in k je lastna konstanta vzmeti, kar kaže na to, kako trd je. S tem izrazom se izračuna potencialna energija elastike ob upoštevanju, da je i enota vektorja v vodoravni smeri:

Izračun potencialne elektrostatične energije

Ko imate točkovni električni naboj Q, ustvari električno polje, ki zazna drug točkovni naboj q in deluje na njem, ko ga premaknemo iz enega položaja v drugega na sredini polja. Elektrostatična sila med dvema točkovnima nabojema ima radialno smer, ki jo simbolizira enotni vektor r :

Slika na primer 1. Vir: F. Zapata.

Rešitev

Kadar je blok na višini h _A glede na tla, ima zaradi svoje višine gravitacijsko potencialno energijo. Ko se sprosti, se ta potencialna energija postopoma pretvori v kinetično energijo, in ko drsi po gladki ukrivljeni rampi, se njena hitrost povečuje.

Med potjo od A do B enačbe enakomerno spremenljivega pravokotnega gibanja ni mogoče uporabiti. Čeprav je gravitacija odgovorna za gibanje bloka, je gibanje, ki ga doživlja, bolj zapleteno, ker pot ni pravokotna.

Ohranjanje energije na poti AB

Ker pa je gravitacija konzervativna sila in trenja na ploščadi ni, lahko uporabite ohranitev mehanske energije, da poiščete hitrost na koncu klančine:

Izraz je poenostavljen tako, da se v vsakem izrazu pojavi masa. Sprosti se iz mirovanja v _A = 0. In h _B je na tleh, h _B = 0. S temi poenostavitvami se izraz zmanjša na:

Delo opravljeno z drgnjenjem v oddelku BC

Zdaj blok začne s to hitrostjo v grobem delu in se končno ustavi na točki C. Zato v _C = 0. Mehanske energije ni več ohranjeno, ker je trenje disipativna sila, zaradi česar je delo na bloku, ki ga je dal:

To delo ima negativen predznak, saj kinetično trenje objekt upočasni in nasprotuje njegovemu gibanju. Velikost kinetičnega trenja f _k je:

Kjer je N velikost normalne sile. Normalna sila deluje na površino bloka, in ker je površina popolnoma vodoravna, uravnava težo P = mg, zato je velikost normalne:

Kar vodi do:

Delo, ki ga f _k opravi na bloku, je: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Izračun spremembe mehanske energije

To delo je enakovredno spremembi mehanske energije, izračunano takole:

V tej enačbi obstajajo nekateri izrazi, ki izginejo: K _C = 0, saj se blok ustavi pri C in U _C = U _B tudi izgine , saj so te točke v tleh. Rezultat poenostavitve je:

Masa se spet odpove in D dobimo na naslednji način:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženirstvo in znanosti. Zvezek 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost in tehniko. Zvezek 2. Dinamika. Uredil Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela uporabe. 6. Dvorana Ed Prentice.
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson.
5. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. Ed. Zvezek 1-2.