Всички студенти по физика имат потенциал - потенциална енергия, т.е. Но тези, които отделят време да определят какво означава това по отношение на физиката, ще иматповече потенциалда влияят на света около тях от тези, които не го правят. Най-малкото те ще могат да отговорят съзнателно на заядлив възрастен човек с мем от интернет: „Не съм мързелив, преливам от потенциална енергия“.
Какво е потенциална енергия?
Концепцията за потенциална енергия в началото може да изглежда объркваща. Но накратко, можете да мислите за потенциалната енергия като за съхранена енергия. Той имапотенциалда се трансформира в движение и да накара нещо да се случи, като батерия, която все още не е свързана, или чиния спагети, които бегачът ще яде вечерта преди състезанието.
Потенциалната енергия е една от трите широки категории енергия, открити във Вселената. Другите две са кинетичната енергия, която е енергията на движението, и топлинната енергия, която е специален, неповторим тип кинетична енергия.
Без потенциална енергия не би могло да се спести енергия за по-нататъшна употреба. За щастие съществува много потенциална енергия и тя непрекъснато се превръща напред-назад между себе си и кинетичната енергия, карайки нещата да се случват.
С всяко преобразуване част от потенциалната и кинетичната енергия се превръща в топлинна енергия, известна още като топлина. В крайна сметка цялата енергия на Вселената ще се преобразува в топлинна енергия и тя ще преживее "топлинна смърт", когато не съществува повече потенциална енергия. Но до това далечно бъдещо време потенциалната енергия ще запази възможностите за действие отворени.
Единицата SI за потенциална енергия и всяка за енергия за този въпрос е джаулът, където 1 джаул = 1 (нютон) (метър).
Видове и примери за потенциална енергия
Има много видове потенциална енергия. Сред тези форми на енергия са:
Механична потенциална енергия:Известен също като гравитационна потенциална енергия или GPE, това се отнася до енергия, съхранявана отпозиция на обекта спрямо гравитационно поле, като това близо до повърхността на Земята.
Например книга, която седи в горната част на рафт, има потенциал да падне поради силата на гравитацията. Колкото по-високо е то спрямо земята - и по този начин по отношение на Земята, източника на гравитационното поле - толкова по-дълго падане има потенциал да премине. Повече за това по-късно.
Химическа потенциална енергия:Енергията, съхранявана в молекулярни връзки, е химическа енергия. Той може да се освободи и трансформира в кинетична енергия чрез разкъсване на връзките.Следователно, колкото повече връзки в молекулата, толкова повече потенциална енергия съдържа тя.
Например, когато ядете храна, процесът на храносмилане разгражда молекули мазнини, протеини, въглехидрати или аминокиселини, така че тялото да може да използва тази енергия за движение. Тъй като мазнините са най-дългата от тези молекули с най-много връзки между атомите, те съхраняват най-много енергия.
По същия начин дървените трупи, използвани при лагерен огън, съдържат потенциална химическа енергия, която се отделя при изгарянето им и връзките между молекулите в дървесината се разкъсват. Всичко, което изисква химическа реакция, за да „тръгне“ - включително използване на батерии или изгаряне на бензин в кола, съдържа потенциална химическа енергия.
Еластична потенциална енергия:Тази форма на потенциална енергия е енергията, съхранявана при деформацията на даден обект от нормалната му форма. Когато даден обект е опънат или компресиран от първоначалната си форма - да речем извадена гумена лента или пружина, задържана в плътна намотка - той имапотенциалда извика или да отскочи при освобождаване. Или, мека възглавница на дивана се натиска с отпечатъка на някой, който седи на нея, така че, когато стоят, отпечатъкът бавно се издига назад, докато диванът изглежда така, както преди да са седнали.
Ядрена потенциална енергия:Много потенциална енергия се съхранява от ядрените сили, които държат атомите заедно. Например силната ядрена сила вътре в ядрото, задържаща протоните и неутроните на място. Ето защо е толкова трудно да се разделят атомите, процес, който се случва само в ядрени реактори, ускорители на частици, центрове на звезди или други ситуации с висока енергия.
За да не се бърка с химическата потенциална енергия, ядрената потенциална енергия се съхранявавътре в отделни атоми. Както е посочено в името им, атомните бомби представляват едно от най-агресивните употреби на ядрената потенциална енергия.
Електрическа потенциална енергия:Тази енергия се съхранява чрез задържане на електрически заряди в определена конфигурация. Например, когато пуловер, който има много натрупани отрицателни заряди, се доближи до положителен или неутрален обект, той имапотенциалда предизвика движение чрез привличане на положителни заряди и отблъскване на други отрицателни заряди.
Всяка единична заредена частица, държана на място в електрическо поле, също има електрическа потенциална енергия. Този пример е аналогичен на гравитационната потенциална енергия в това, че каква е позицията на заряда спрямо електрическото поле определя неговото количество потенциална енергия, точно както позицията на обекта спрямо гравитационното поле определя неговата GPE.
Формула за гравитационна потенциална енергия
Гравитационната потенциална енергия или GPE е един от малкото видове енергия, за които учениците по физика в гимназията обикновено извършват изчисления (други са линейна и ротационна кинетична енергия). Това е резултат от гравитационната сила. Променливите, които влияят на това колко GPE има обект, са масам,ускорението поради гравитациятаж, и височиназ.
GPE = mgh
Когато GPE се измерва в джаули (J), маса в килограми (kg), ускорение поради гравитацията в метри в секунда в секунда (m / s2) и височина в метри (m).
Имайте предвид, че на Земята,жсе третира като винаги равно на 9,8 m / s2. На други места, където Земята не е локален източник на гравитационно ускорение, като например на други планети,жима други стойности.
Формулата за GPE предполага, че колкото по-масивен е даден обект или колкото по-високо е поставен, толкова повече потенциална енергия съдържа той. Това от своя страна обяснява защо една стотинка, изпусната от върха на сградата, ще върви много по-бързо отдолу, отколкото една, изпусната от джоба на човек точно над тротоара. (Това също е илюстрация на запазването на енергията: когато обектът падне, неговата потенциална енергия намалява, така че неговата кинетична енергия трябва да се увеличи със същото количество, за да остане общата енергия постоянен.)
Започването на по-висока височина означава, че стотинката ще се ускори надолу на по-голямо разстояние, което води до по-бърза скорост до края на пътуването. Или, за да продължите да се движите на по-голямо разстояние, стотинката на покрива трябва да е започнала с повече потенциална енергия, която формулата GPE количествено определя.
Пример за GPE
Класирайте следните обекти от най-голямата до най-малко гравитационната потенциална енергия:
- 50-килограмова жена на върха на 3-метрова стълба
- 30-килограмова подвижна кутия в горната част на 10-метрова площадка
- 250-килограмова щанга, държана на 0,5 м над главата на силовия повдигач
За да ги сравните, изчислете GPE за всяка ситуация, като използвате формулата GPE = mgh.
- GPE за жени = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1,617 J
- Подвижна кутия GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- GPE на щанга = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1,470 J
И така, от повечето до най-малко GPE поръчката е: движеща се кутия, жена, щанга.
Имайте предвид, че математически, тъй като всички обекти са на Земята и имат еднаква стойност заж, оставянето на този номер все пак би довело до правилния ред (но това би направилонедайте действителните количества енергия в джаули!).
Помислете вместо това, че движещата се кутия е била на Марс вместо на Земята. На Марс ускорението поради гравитацията е приблизително една трета от това, което е на Земята. Това означава, че подвижната кутия ще има около една трета от количеството GPE на Марс на височина 10 m или 980 J.
