Sådan beregnes potentiel energi

Potentiel energi lyder som om det simpelthen er energi, der ikke er blevet aktualiseret, og at tænke på det sådan kan lindre dig til at tro, at det ikke er rigtigt. Stå dog under et sikkert ophængt 30 meter over jorden, og din mening kan ændre sig. Pengeskabet har potentiel energi på grund af tyngdekraften, og hvis nogen skar rebet, der holder det, ville den energi dreje i kinetisk energi, og når pengeskabet når dig, ville det have nok "aktualiseret" energi til at give dig en splittelse hovedpine.

En bedre potentiel energidefinition er lagret energi, og det kræver "arbejde" at lagre energien. Fysik har en specifik definition af arbejde - arbejde udføres, når en kraft bevæger et objekt over en afstand. Arbejde er relateret til energi. Det måles i joule i SI-systemet., Som også er potentielle og kinetiske energienheder. For at omdanne arbejde til potentiel energi er du nødt til at handle mod en bestemt type kraft, og der er flere. Kraften kunne være tyngdekraft, en fjeder eller et elektrisk felt. Kraftens egenskaber bestemmer mængden af ​​potentiel energi, du lagrer ved at arbejde mod den.

Den måde, gravitation fungerer på, er, at to kroppe tiltrækker hinanden, men alt på jorden er så lille sammenlignet med selve planeten, at kun jordens tyngdefelt er signifikant. Hvis du løfter en krop (m) over jorden, oplever denne krop en kraft, der har tendens til at få den til at accelerere mod jorden. Kraftens størrelse (F), fra Newtons 2. lov, er givet af F = mg, hvor g er accelerationen på grund af tyngdekraften, som er konstant overalt på Jorden.

Antag at du løfter kroppen til en højde h. Mængden af ​​arbejde, du udfører for at udføre dette, er kraft × afstand, eller mgh. Det arbejde lagres som potentiel energi, så den potentielle energiligning for jordens tyngdefelt er simpelthen:

Gravitationspotentiel energi = mgh

Fjedre, elastikker og andre elastiske materialer kan gemme energi, hvilket i det væsentlige er hvad du gør, når du trækker en bue tilbage lige før du skyder en pil. Når du strækker eller komprimerer en fjeder, udøver den en modsat kraft, der virker for at genoprette fjederen til dens ligevægtsposition Kraftens størrelse er proportional med den afstand, du strækker eller komprimerer det (x). Proportionalitetskonstanten (k) er karakteristisk for foråret. I henhold til Hookes lov, F = −kx. Minustegnet angiver fjederens gendannelseskraft, der virker i den modsatte retning af den, der strækker eller komprimerer den.

For at beregne den potentielle energi, der er lagret i et elastisk materiale, skal du erkende, at kraften bliver større som x øges. For en uendelig minimal afstand er F dog konstant. Ved at opsummere kræfterne for alle de uendelige minimale afstande mellem 0 (ligevægt) og den endelige forlængelse eller kompression x, kan du beregne det udførte arbejde og den lagrede energi. Denne summeringsproces er en matematisk teknik kaldet integration. Det producerer den potentielle energiformel for et elastisk materiale:

Potentiel energi = kx²/2

hvor x er udvidelsen og k er foråret konstant.

Overvej at flytte en positiv ladning q inden for et elektrisk felt genereret af en større positiv ladning Spørgsmål. På grund af elektriske frastødningskræfter kræver det arbejde at flytte den mindre ladning tættere på den større. Ifølge Coulombs lov er styrken mellem anklagerne på ethvert tidspunkt kqQ/r², hvor r er afstanden mellem dem. I dette tilfælde, k er Coulombs konstante, ikke forårskonstant. Fysikere betegner dem begge med k. Du beregner den potentielle energi ved at overveje det arbejde, der er nødvendigt for at flytte q fra uendeligt langt fra Spørgsmål til dens afstand r. Dette giver den elektriske potentielle energiligning:

Elektrisk potentiel energi = kqQ/r

Elektrisk potentiale er lidt anderledes. Det er mængden af ​​energi, der er gemt pr. Enhedsopladning, og det er kendt som spænding, måling i volt (joule / coulomb). Ligningen for det elektriske potentiale eller spænding, der genereres af opladningen Spørgsmål på afstand r er:

Elektrisk potentiale = kQ/r