Alle fysikstuderende har potentiale - dvs. energi. Men de, der tager sig tid til at bestemme, hvad det betyder med hensyn til fysik, vil havemere potentialeat påvirke verden omkring dem end dem, der ikke gør det. I det mindste vil de være i stand til at svare bevidst til en nagende voksen med et internet-meme-quip: "Jeg er ikke doven, jeg overfylder potentiel energi."
Hvad er potentiel energi?
Begrebet potentiel energi kan virke forvirrende i starten. Men kort sagt kan du tænke på potentiel energi som lagret energi. Det harpotentielat transformere til bevægelse og få noget til at ske, som et batteri, der endnu ikke er tilsluttet, eller en tallerken spaghetti, som en løber er ved at spise natten før løbet.
Potentiel energi er en af tre brede kategorier af energi, der findes i universet. De to andre er kinetisk energi, som er bevægelsesenergien, og termisk energi, som er en speciel, ikke-genanvendelig type kinetisk energi.
Uden potentiel energi kunne ingen energi spares til senere brug. Heldigvis findes der masser af potentiel energi, og den konverterer konstant frem og tilbage mellem sig selv og kinetisk energi og får ting til at ske.
Ved hver transformation omdannes nogle potentielle og kinetiske energi til termisk energi, også kendt som varme. Til sidst vil al universets energi blive konverteret til termisk energi, og det vil opleve "varmedød", når der ikke findes mere potentiel energi. Men indtil den langt væk fremtidige tid vil potentiel energi holde mulighederne for handling åbne.
SI-enheden for potentiel energi og en hvilken som helst for energi for den sags skyld er joule, hvor 1 joule = 1 (newton) (meter).
Typer og eksempler på potentiel energi
Der er mange typer potentiel energi. Blandt disse energiformer er:
Mekanisk potentiel energi:Også kendt som gravitationel potentiel energi eller GPE, dette refererer til energi lagret af enobjektets position i forhold til et tyngdefelt, som f.eks. nær jordens overflade.
For eksempel har en bog, der sidder øverst på en hylde, potentialet til at falde ned på grund af tyngdekraften. Jo højere det er i forhold til jorden - og dermed i forhold til Jorden, tyngdefeltets kilde - jo længere et fald har det potentialet til at krydse. Mere om dette senere.
Kemisk potentiel energi:Energi lagret i molekylære bindinger er kemisk energi. Det kan frigives og omdannes til kinetisk energi ved at bryde bindinger.Derfor, jo flere bindinger i et molekyle, jo mere potentiel energi indeholder det.
For eksempel, når man spiser mad, nedbryder fordøjelsesprocessen molekyler af fedt, proteiner, kulhydrater eller aminosyrer, så kroppen kan bruge den energi til at bevæge sig. Fordi fedt er den længste af de molekyler, der har flest bånd mellem atomer, lagrer de mest energi.
Tilsvarende indeholder stammerne, der bruges i et bål, kemisk potentiel energi, der frigøres, når de brændes, og bindingerne mellem molekyler i træet brydes. Alt, hvad der kræver en kemisk reaktion for at "gå" - herunder brug af batterier eller brændende benzin i en bil - indeholder kemisk potentiel energi.
Elastisk potentiel energi:Denne form for potentiel energi er den energi, der er lagret i deformationen af et objekt fra dets normale form. Når en genstand strækkes eller komprimeres fra sin oprindelige form - sig et elastikbånd trukket ud eller en fjeder, der holdes i en tæt spole - har denpotentielat springe op eller hoppe tilbage, når den frigives. Eller en squishy sofapude trykkes med aftrykket af nogen, der sidder på den, så aftrykket, når de står, langsomt stiger tilbage, indtil sofaen ser ud som den gjorde, før de sad.
Kerneenergipotential energi:En masse potentiel energi lagres af atomkræfterne, der holder atomer sammen. For eksempel den stærke atomkraft inde i en kerne, der holder protonerne og neutronerne på plads. Det er derfor, det er så svært at opdele atomer, en proces, der kun sker i atomreaktorer, partikelacceleratorer, stjernecentre eller andre situationer med høj energi.
For ikke at forveksle med kemisk potentiel energi lagres nuklear potentiel energiinde i individuelle atomer. Som deres navn siger, repræsenterer atombomber en af menneskehedens mest aggressive anvendelser af nuklear potentiel energi.
Elektrisk potentiel energi:Denne energi lagres ved at holde elektriske ladninger i en bestemt konfiguration. For eksempel, når en sweater, der har mange opbyggede negative ladninger, bringes tæt på en positiv eller neutral genstand, har denpotentielat forårsage bevægelse ved at tiltrække positive ladninger og frastøde andre negative ladninger.
Enhver enkelt ladet partikel, der holdes på plads i et elektrisk felt, har også elektrisk potentiel energi. Dette eksempel er analogt med tyngdepotentialenergi, idet ladningens position i forhold til det elektriske felt er hvad bestemmer dets mængde potentiel energi, ligesom et objekts position i forhold til tyngdefeltet bestemmer dets GPE.
Gravitational Potential Energy Formula
Gravitationspotentiel energi eller GPE er en af de få energityper, som gymnasiefysikstuderende typisk udfører beregninger for (andre er lineær og roterende kinetisk energi). Det skyldes tyngdekraften. De variabler, der påvirker, hvor meget GPE et objekt har, er massem,accelerationen på grund af tyngdekraftengog højdeh.
GPE = mgh
Hvor GPE måles i joule (J), masse i kg (kg), acceleration på grund af tyngdekraften i meter pr. Sekund pr. Sekund (m / s2) og højde i meter (m).
Bemærk at på Jorden,gbehandles som altid lig med 9,8 m / s2. Andre steder, hvor Jorden ikke er den lokale kilde til tyngdeacceleration, såsom på andre planeter,ghar andre værdier.
Formlen for GPE indebærer, at jo mere massiv et objekt er, eller jo højere det er placeret, jo mere potentiel energi indeholder det. Dette forklarer igen, hvorfor en øre, der er faldet fra toppen af en bygning, vil gå meget hurtigere i bunden end en, der er faldet fra en persons lomme lige over fortovet. (Dette er også en illustration af energibesparelsen: når objektet falder, dets potentielle energi falder, så dets kinetiske energi skal øges med samme mængde for at den samlede energi skal forblive konstant.)
At starte i en højere højde betyder, at øre vil accelerere nedad over en længere afstand, hvilket resulterer i en hurtigere hastighed ved afslutningen af turen. Eller for at bevæge sig over en længere afstand skal øre på taget have startet med mere potentiel energi, som GPE-formlen kvantificerer.
GPE-eksempel
Rangér følgende objekter fra mest til mindst tyngdekraftenergi:
- En kvinde på 50 kg øverst på en 3 m stige
- En 30 kg bevægelig kasse øverst på en 10 m landing
- En 250 kg vægtstang holdt 0,5 m over hovedet på en kraftløfter
For at sammenligne disse skal du beregne GPE for hver situation ved hjælp af formlen GPE = mgh.
- Kvinde GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1.617 J
- Bevægelsesboks GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2.940 J
- Vægtstang GPE = (250 kg) (9,8 m / s2(0,5 m) = 1.470 J
Så fra det meste til det mindste GPE er ordren: flytteboks, kvinde, vægtstang.
Bemærk, at matematisk, da alle objekterne var på Jorden og havde den samme værdi forgHvis man udelader dette nummer, vil det stadig resultere i den rigtige rækkefølge (men det ville man gøreikkegive de faktiske mængder energi i joule!).
Overvej i stedet, at den bevægelige kasse var på Mars i stedet for Jorden. På Mars er accelerationen på grund af tyngdekraften omtrent en tredjedel, hvad den er på Jorden. Det betyder, at den bevægelige kasse ville have ca. en tredjedel af GPE-mængden på Mars ved 10 m høj eller 980 J.