Potenciální energie zní, jako by to byla prostě energie, která se neaktualizovala, a když na ni takhle myslíte, může vás uklidnit, abyste věřili, že to není skutečné. Postavte se však pod bezpečné zavěšení 30 stop nad zemí a váš názor se může změnit. Trezor má potenciální energii díky gravitační síle, a pokud by někdo uřízl lano, které jej drží, tato energie by se otočila do kinetické energie a v době, kdy se k vám trezor dostal, mělo by to dostatek „aktualizované“ energie, aby vám dalo štěpení bolest hlavy.
Lepší definicí potenciální energie je uložená energie a její skladování vyžaduje „práci“. Fyzika má specifickou definici práce - pracuje se, když síla pohybuje objektem na dálku. Práce souvisí s energií. Měří se v joulech v systému SI., Což jsou také jednotky potenciální a kinetické energie. Chcete-li přeměnit práci na potenciální energii, musíte jednat proti určitému typu síly a existuje několik. Sílou může být gravitace, pružina nebo elektrické pole. Charakteristiky síly určují množství potenciální energie, kterou ukládáte při práci proti ní.
Vzorec potenciální energie pro gravitační pole Země
Způsob gravitace funguje tak, že se dvě těla přitahují, ale vše na Zemi je ve srovnání se samotnou planetou tak malé, že významné je pouze zemské gravitační pole. Pokud zvednete tělo (m) nad zemí toto tělo zažívá sílu, která má tendenci zrychlovat směrem k zemi. Velikost síly (F), z 2. Newtonova zákona, je dán vztahem F = mg, kde G je gravitační zrychlení, které je všude na Zemi konstantní.
Předpokládejme, že zvednete tělo do výšky h. Množství práce, které toho dosáhnete, je síla × vzdálenost, nebo mgh. Tato práce se ukládá jako potenciální energie, takže rovnice potenciální energie pro gravitační pole Země je jednoduše:
Gravitační potenciální energie = mgh
Elastická potenciální energie
Pružiny, gumičky a další elastické materiály mohou ukládat energii, což je v podstatě to, co děláte, když těsně před vystřelením šípu stáhnete luk. Když pružinu napnete nebo stlačíte, vyvíjí opačnou sílu, která pružinu obnoví rovnovážná poloha Velikost síly je úměrná vzdálenosti, kterou natáhnete nebo stlačíte to (X). Konstanta proporcionality (k) je charakteristický pro pružinu. Podle Hookeova zákona F = −kx. Znaménko mínus označuje vratnou sílu pružiny, která působí opačným směrem než ta, která ji roztahuje nebo stlačuje.
Chcete-li vypočítat potenciální energii uloženou v elastickém materiálu, musíte si uvědomit, že síla se zvětšuje jako X zvyšuje. Pro nekonečně malou vzdálenost je však F konstantní. Sečtením sil všech nekonečně malých vzdáleností mezi 0 (rovnováha) a konečným prodloužením nebo stlačením X, můžete vypočítat odvedenou práci a uloženou energii. Tento proces sčítání je matematická technika zvaná integrace. Produkuje vzorec potenciální energie pro elastický materiál:
Potenciální energie = kx2/2
kde X je rozšíření a k je jarní konstanta.
Elektrický potenciál nebo napětí
Zvažte přesun kladného náboje q v elektrickém poli generovaném větším kladným nábojem Q. Kvůli elektrickým odpudivým silám je třeba přemístit menší náboj blíže k větší. Podle Coulombova zákona je síla mezi náboji kdykoli kqQ/r2, kde r je vzdálenost mezi nimi. V tomto případě, k je Coulombova konstanta, nikoli konstanta pružiny. Fyzici oba označují k. Potenciální energii vypočítáte zvážením práce potřebné k pohybu q od nekonečně daleko od Q na jeho vzdálenost r. To dává rovnici elektrické potenciální energie:
Elektrická potenciální energie = kqQ/r
Elektrický potenciál se mírně liší. Je to množství energie uložené na jednotku nabití a je známé jako napětí, měří se ve voltech (joulech / coulomb). Rovnice elektrického potenciálu nebo napětí generovaného nábojem Q na dálku r je:
Elektrický potenciál = kQ/r