تبدو الطاقة الكامنة وكأنها ببساطة طاقة لم تتحقق ، والتفكير فيها على هذا النحو يمكن أن يهدئك للاعتقاد بأنها ليست حقيقية. قف تحت خزنة معلقة على ارتفاع 30 قدمًا فوق الأرض ، وقد يتغير رأيك. الخزنة لديها طاقة كامنة بسبب قوة الجاذبية ، وإذا قام شخص ما بقطع الحبل الذي يمسكه ، فستتحول هذه الطاقة إلى طاقة حركية ، وبحلول الوقت الذي تصل فيه الخزنة إليك ، سيكون لديها طاقة "محققة" كافية لتمنحك انقسامًا صداع الراس.
إن التعريف الأفضل للطاقة الكامنة هو الطاقة المخزنة ، ويستغرق الأمر "عملاً" لتخزين الطاقة. للفيزياء تعريف محدد للعمل - يتم العمل عندما تحرك قوة جسمًا على مسافة. يرتبط العمل بالطاقة. يتم قياسها بالجول في نظام SI ، وهي أيضًا وحدات طاقة محتملة وحركية. لتحويل الشغل إلى طاقة كامنة ، عليك أن تعمل ضد نوع معين من القوة ، وهناك العديد منها. يمكن أن تكون القوة الجاذبية أو الزنبرك أو المجال الكهربائي. تحدد خصائص القوة مقدار الطاقة الكامنة التي تخزنها من خلال العمل ضدها.
صيغة الطاقة المحتملة لحقل الجاذبية الأرضية
الطريقة التي يعمل بها الجاذبية هي أن جسمين يجذبان بعضهما البعض ، لكن كل شيء على الأرض صغير جدًا مقارنة بالكوكب نفسه بحيث لا يكون سوى مجال جاذبية الأرض مهمًا. إذا قمت برفع الجسم (
م) فوق الأرض ، يختبر هذا الجسم قوة تميل إلى جعله يتسارع نحو الأرض. مقدار القوة (F) ، من قانون نيوتن الثاني ، بواسطة F = ملغ، أين ز هو التسارع الناتج عن الجاذبية ، وهو ثابت في كل مكان على الأرض.افترض أنك ترفع الجسد إلى ارتفاع ح. مقدار العمل الذي تقوم به لإنجاز هذا هو القوة × المسافة ، أو mgh. يتم تخزين هذا العمل كطاقة كامنة ، وبالتالي فإن معادلة الطاقة الكامنة لحقل الجاذبية الأرضية هي ببساطة:
طاقة الجاذبية الكامنة = mgh
الطاقة الكامنة المرنة
يمكن للنوابض والأربطة المطاطية وغيرها من المواد المرنة تخزين الطاقة ، وهو ما تفعله أساسًا عندما تسحب قوسًا للخلف قبل إطلاق السهم مباشرة. عندما تقوم بشد أو ضغط زنبرك ، فإنه يبذل قوة معاكسة تعمل على إعادة الزنبرك إلى حالته موضع التوازن يتناسب حجم القوة مع المسافة التي تمددها أو تضغطها هو - هي (x). ثابت التناسب (ك) هي سمة من سمات الربيع. وفقًا لقانون هوك ، F = −ككس. تشير علامة الطرح إلى قوة استعادة الزنبرك ، والتي تعمل في الاتجاه المعاكس لتلك التي تمدها أو تضغطها.
لحساب الطاقة الكامنة المخزنة في مادة مرنة ، عليك أن تدرك أن القوة تكبر بمقدار x يزيد. بالنسبة إلى مسافة متناهية الصغر ، فإن F ثابتة. من خلال جمع قوى جميع المسافات المتناهية الصغر بين 0 (التوازن) والامتداد النهائي أو الانضغاط x، يمكنك حساب العمل المنجز والطاقة المخزنة. عملية التلخيص هذه هي تقنية رياضية تسمى التكامل. ينتج صيغة الطاقة الكامنة لمادة مرنة:
الطاقة الكامنة = ككس2/2
أين x هو الامتداد و ك هو ثابت الربيع.
الجهد أو الجهد الكهربائي
ضع في اعتبارك تحريك شحنة موجبة ف داخل مجال كهربائي ناتج عن شحنة موجبة أكبر س. بسبب قوى التنافر الكهربائية ، يتطلب الأمر بذل جهد لتحريك الشحنة الأصغر بالقرب من الشحنة الأكبر. وفقًا لقانون كولوم ، القوة بين الاتهامات في أي وقت هي ك ق ف/ص2، أين ص هي المسافة بينهما. في هذه الحالة، ك هو ثابت كولوم ، وليس ثابت الربيع. يشير الفيزيائيون إلى كلاهما بواسطة ك. يمكنك حساب الطاقة الكامنة من خلال النظر في الشغل المطلوب للتحرك ف من بعيد بلا حدود عن س لمسافة ص. يعطي هذا معادلة طاقة الوضع الكهربائي:
الطاقة الكامنة الكهربائية = ك ق ف/ص
الجهد الكهربائي مختلف قليلاً. إنها كمية الطاقة المخزنة لكل وحدة شحنة ، وتعرف بالجهد ، وتقاس بالفولت (جول / كولوم). معادلة الجهد الكهربائي أو الجهد المتولد من الشحنة س على مسافة ص هو:
الجهد الكهربائي = كيو/ص