Všichni studenti fyziky mají potenciál - tedy potenciální energii. Ale ti, kdo si udělají čas, aby určili, co to znamená z hlediska fyziky, budou mítvětší potenciálovlivňovat svět kolem sebe než ty, kteří tak nečiní. Přinejmenším budou schopni vědomě odpovědět otravnému dospělému pomocí internetového memu: „Nejsem líný, přetékám potenciální energií.“
Co je to potenciální energie?
Koncept potenciální energie se na první pohled může zdát matoucí. Stručně řečeno, můžete si představit potenciální energii jako uloženou energii. Mápotenciálpřeměnit se v pohyb a uskutečnit něco, jako je baterie, která ještě není připojena, nebo talíř špaget, které se běžec chystá sníst noc před závodem.
Potenciální energie je jednou ze tří širokých kategorií energie ve vesmíru. Další dvě jsou kinetická energie, což je energie pohybu, a tepelná energie, což je speciální, opakovaně nepoužitelný typ kinetické energie.
Bez potenciální energie by nebylo možné ušetřit energii pro pozdější použití. Naštěstí existuje spousta potenciální energie a neustále se převádí tam a zpět mezi sebou a kinetickou energií, čímž se věci stávají.
S každou transformací se určitá potenciální a kinetická energie transformuje na tepelnou energii, známou také jako teplo. Nakonec bude veškerá energie vesmíru přeměněna na tepelnou energii a zažije „tepelnou smrt“, když už žádná potenciální energie neexistuje. Ale do té vzdálené budoucnosti bude potenciální energie udržovat možnosti akce otevřené.
Jednotkou SI pro potenciální energii a jakoukoli pro energii pro tuto záležitost je joule, kde 1 joule = 1 (newton) (metr).
Druhy a příklady potenciální energie
Existuje mnoho druhů potenciální energie. Mezi tyto formy energie patří:
Mechanická potenciální energie:Také známý jako gravitační potenciální energie, nebo GPE, to se odkazuje na energii uloženou vpoloha objektu vzhledem k gravitačnímu poli, jako je například blízko zemského povrchu.
Například kniha sedící v horní části police má potenciál spadnout kvůli gravitační síle. Čím vyšší je ve vztahu k zemi - a tedy ve vztahu k Zemi, zdroji gravitačního pole -, tím delší je pád, který má potenciál projít. Více o tom později.
Chemická potenciální energie:Energie uložená v molekulárních vazbách je chemická energie. Může být uvolněn a přeměněn na kinetickou energii rozbitím vazeb.Proto čím více vazeb v molekule, tím více potenciální energie obsahuje.
Například při jídle proces trávení rozkládá molekuly tuků, bílkovin, sacharidů nebo aminokyselin, takže tělo může tuto energii využít k pohybu. Protože tuky jsou nejdelší z těch molekul s nejvíce vazbami mezi atomy, ukládají nejvíce energie.
Podobně polena použitá při táboráku obsahují chemickou potenciální energii, která se uvolňuje při spalování a vazby mezi molekulami ve dřevě jsou přerušeny. Cokoli, co vyžaduje „reakci“ na chemickou reakci - včetně použití baterií nebo spalování benzínu v autě - obsahuje chemickou potenciální energii.
Elastická potenciální energie:Tato forma potenciální energie je energie uložená při deformaci objektu z jeho normálního tvaru. Když je předmět roztažený nebo stlačený z původního tvaru - řekněme vytažená gumička nebo pružina držená v těsné cívce - mápotenciálpo uvolnění odpružit nebo odskočit. Nebo je polštář na gauči přitlačen otiskem někoho, kdo na něm sedí, takže když stojí, otisk pomalu stoupá zpět, dokud gauč nevypadá jako předtím, než se posadili.
Jaderná potenciální energie:Mnoho potenciální energie je uloženo v jaderných silách, které drží atomy pohromadě. Například silná jaderná síla uvnitř jádra, která drží protony a neutrony na místě. Proto je tak těžké rozdělit atomy, což je proces, který se děje pouze v jaderných reaktorech, urychlovačích částic, středech hvězd nebo v jiných vysokoenergetických situacích.
Nezaměňujte s chemickou potenciální energií, jaderná potenciální energie je uloženauvnitř jednotlivých atomů. Jak již název napovídá, atomové bomby představují jedno z nejagresivnějších způsobů využití jaderné potenciální energie v lidstvu.
Elektrická potenciální energie:Tato energie se ukládá udržováním elektrických nábojů v konkrétní konfiguraci. Například, když je svetr, který má hodně nahromaděných záporných nábojů, přiblížen ke kladnému nebo neutrálnímu předmětu, mápotenciálzpůsobit pohyb přitahováním kladných nábojů a odpuzováním dalších záporných nábojů.
Každá jednotlivá nabitá částice držená na místě v elektrickém poli má také elektrickou potenciální energii. Tento příklad je analogický s gravitační potenciální energií v tom, že poloha náboje ve vztahu k elektrickému poli je co určuje jeho množství potenciální energie, stejně jako poloha objektu ve vztahu ke gravitačnímu poli určuje jeho GPE.
Vzorec gravitační potenciální energie
Gravitační potenciální energie, nebo GPE, je jedním z mála typů energie, pro které studenti fyziky na střední škole obvykle provádějí výpočty (jiné jsou lineární a rotační kinetická energie). Vyplývá to z gravitační síly. Proměnné, které ovlivňují, kolik GPE má objekt, jsou hromadném,gravitační zrychleníGa výškah.
GPE = mgh
Pokud se GPE měří v joulech (J), hmotnost v kilogramech (kg), gravitační zrychlení v metrech za sekundu za sekundu (m / s)2) a výška v metrech (m).
Všimněte si, že na Zemi,Gse považuje za vždy rovnou 9,8 m / s2. Na jiných místech, kde Země není místním zdrojem gravitačního zrychlení, například na jiných planetách,Gmá jiné hodnoty.
Vzorec pro GPE naznačuje, že čím je objekt masivnější nebo čím vyšší je umístěn, tím více potenciální energie obsahuje. To zase vysvětluje, proč cent spadnutý z horní části budovy bude ve spodní části mnohem rychlejší než ten, který spadl z kapsy člověka přímo nad chodníkem. (Toto je také ilustrace zachování energie: jak objekt padá, jeho potenciální energie klesá, takže jeho kinetická energie musí vzrůst o stejné množství, aby zůstala celková energie konstantní.)
Začátek ve vyšší výšce znamená, že penny zrychlí dolů na delší vzdálenost, což má za následek vyšší rychlost na konci cesty. Nebo, aby se pohyboval na delší vzdálenost, penny na střeše musely začít s větší potenciální energií, kterou kvantifikuje vzorec GPE.
Příklad GPE
Pořadí následujících objektů od nejmenší po nejmenší gravitační potenciální energii:
- Žena o hmotnosti 50 kg na vrcholu 3metrového žebříku
- Pohyblivá krabice o hmotnosti 30 kg v horní části 10 m přistání
- Činka o hmotnosti 250 kg držela 0,5 m nad hlavou zvedáku
Chcete-li je porovnat, vypočítejte GPE pro každou situaci pomocí vzorce GPE = mgh.
- Žena GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1 617 J.
- Pohyblivý box GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J.
- Činka GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1470 J.
Pořadí od většiny po nejméně GPE je tedy: stěhovací krabice, žena, činka.
Všimněte si, že matematicky, protože všechny objekty byly na Zemi a měly stejnou hodnotu proGvynechání tohoto čísla by stále vedlo ke správnému pořadí (ale bylo by toneuveďte skutečné množství energie v joulech!).
Vezměme si místo toho, že pohybující se box byl na Marsu místo na Zemi. Na Marsu je gravitační zrychlení zhruba jedna třetina toho, co je na Zemi. To znamená, že pohyblivá skříňka by měla asi třetinu množství GPE na Marsu při výšce 10 m, neboli 980 J.