Potenzielle Energie: Was ist es und warum es wichtig ist (mit Formel und Beispielen)

Alle Physikstudenten haben Potential – also potentielle Energie. Aber wer sich die Zeit nimmt, herauszufinden, was das physikalisch bedeutet, der hatmehr Potenzialdie Welt um sie herum zu beeinflussen, als diejenigen, die dies nicht tun. Zumindest werden sie in der Lage sein, einem nörgelnden Erwachsenen wissentlich mit einem Internet-Meme-Spitze zu antworten: "Ich bin nicht faul, ich bin überfüllt mit potentieller Energie."

Das Konzept der potentiellen Energie mag zunächst verwirrend erscheinen. Aber kurz gesagt kann man sich potentielle Energie als gespeicherte Energie vorstellen. Es hat diePotenzialin Bewegung zu verwandeln und etwas zu bewirken, wie eine Batterie, die noch nicht angeschlossen ist, oder einen Teller Spaghetti, den ein Läufer am Abend vor dem Rennen essen will.

Potentielle Energie ist eine von drei großen Energiekategorien, die im Universum vorkommen. Die anderen beiden sind kinetische Energie, die die Bewegungsenergie ist, und thermische Energie, die eine spezielle, nicht wiederverwendbare Art von kinetischer Energie ist.

Ohne potentielle Energie könnte keine Energie für eine spätere Verwendung gespeichert werden. Glücklicherweise existiert viel potentielle Energie, und sie wandelt ständig zwischen sich selbst und kinetischer Energie hin und her, wodurch Dinge geschehen.

Bei jeder Umwandlung wird ein Teil der potentiellen und kinetischen Energie in thermische Energie, auch als Wärme bezeichnet, umgewandelt. Schließlich wird die gesamte Energie des Universums in thermische Energie umgewandelt, und es wird den „Hitzetod“ erfahren, wenn keine potentielle Energie mehr existiert. Aber bis zu diesem fernen zukünftigen Zeitpunkt wird die potentielle Energie die Handlungsmöglichkeiten offen halten.

Die SI-Einheit für potentielle Energie und jede beliebige Energie ist das Joule, wobei 1 Joule = 1 (Newton) (Meter) ist.

Es gibt viele Arten von potentieller Energie. Zu diesen Energieformen gehören:

​Mechanische potentielle Energie:Auch bekannt als gravitative potentielle Energie oder GPE, bezieht sich dies auf Energie, die von einem stored gespeichert wirdPosition des Objekts relativ zu einem Gravitationsfeld, beispielsweise in der Nähe der Erdoberfläche​.

Beispielsweise kann ein Buch, das ganz oben in einem Regal steht, aufgrund der Schwerkraft herunterfallen. Je höher er gegenüber dem Boden – und damit gegenüber der Erde, der Quelle des Gravitationsfeldes – ist, desto länger kann er fallen. Dazu später mehr.

​Chemische potentielle Energie:In Molekülbindungen gespeicherte Energie ist chemische Energie. Es kann freigesetzt und durch Aufbrechen von Bindungen in kinetische Energie umgewandelt werden.Je mehr Bindungen ein Molekül enthält, desto mehr potentielle Energie enthält es.​

Beim Essen zum Beispiel werden durch den Verdauungsprozess Moleküle von Fetten, Proteinen, Kohlenhydraten oder Aminosäuren abgebaut, damit der Körper diese Energie für die Bewegung nutzen kann. Da Fette die längsten Moleküle mit den meisten Bindungen zwischen den Atomen sind, speichern sie die meiste Energie.

In ähnlicher Weise enthalten die Holzscheite, die in einem Lagerfeuer verwendet werden, chemische potenzielle Energie, die beim Verbrennen freigesetzt wird und die Bindungen zwischen den Molekülen im Holz aufgebrochen werden. Alles, was eine chemische Reaktion erfordert, um „zu gehen“ – einschließlich der Verwendung von Batterien oder der Verbrennung von Benzin in einem Auto – enthält chemische potenzielle Energie.

​Elastische potentielle Energie:Diese Form der potentiellen Energie ist die Energie, die bei der Verformung eines Objekts aus seiner normalen Form gespeichert wird. Wenn ein Objekt aus seiner ursprünglichen Form gedehnt oder gestaucht wird – zum Beispiel ein herausgezogenes Gummiband oder eine in einer engen Spirale gehaltene Feder – hat es diePotenzialbeim Loslassen zu federn oder zurückzufedern. Oder es wird ein matschiges Couchkissen mit dem Aufdruck einer darauf sitzenden Person gepresst, sodass der Aufdruck beim Aufstehen langsam nach oben steigt, bis die Couch so aussieht wie vor dem Sitzen.

​Potentielle Kernenergie:Durch die Atomkräfte, die Atome zusammenhalten, wird viel potentielle Energie gespeichert. Zum Beispiel die starke Kernkraft im Inneren eines Kerns, die die Protonen und Neutronen an Ort und Stelle hält. Aus diesem Grund ist es so schwer, Atome zu spalten, ein Vorgang, der nur in Kernreaktoren, Teilchenbeschleunigern, Sternenzentren oder anderen Hochenergiesituationen stattfindet.

Nicht zu verwechseln mit chemischer potentieller Energie, nukleare potentielle Energie wird gespeichertim Inneren einzelner Atome. Wie der Name schon sagt, stellen Atombomben eine der aggressivsten Nutzungen der nuklearen potentiellen Energie durch die Menschheit dar.

​Elektrische potentielle Energie:Diese Energie wird gespeichert, indem elektrische Ladungen in einer bestimmten Konfiguration gehalten werden. Wenn beispielsweise ein Pullover mit vielen negativen Ladungen in die Nähe eines positiven oder neutralen Objekts gebracht wird, hat er diePotenzialBewegung zu erzeugen, indem positive Ladungen angezogen und andere negative Ladungen abgestoßen werden.

Jedes einzelne geladene Teilchen, das in einem elektrischen Feld festgehalten wird, hat auch elektrische potentielle Energie. Dieses Beispiel ist der potentiellen Gravitationsenergie insofern analog, als die Position der Ladung in Bezug auf das elektrische Feld bestimmt seine Menge an potentieller Energie, genauso wie die Position eines Objekts in Bezug auf das Gravitationsfeld seine GPE bestimmt.

Die potentielle Gravitationsenergie (GPE) ist eine der wenigen Energiearten, für die Physikstudenten an Gymnasien typischerweise Berechnungen durchführen (andere sind lineare und kinetische Rotationsenergie). Sie resultiert aus der Gravitationskraft. Die Variablen, die beeinflussen, wie viel GPE ein Objekt hat, sind MasseIch,die Beschleunigung durch die SchwerkraftG, und Höheh.​

Wobei GPE in Joule (J), Masse in Kilogramm (kg), Erdbeschleunigung in Metern pro Sekunde pro Sekunde (m/s²) und Höhe in Metern (m).

Beachten Sie, dass auf der ErdeGwird wie immer gleich 9,8 m/s. behandelt². An anderen Orten, an denen die Erde nicht die lokale Quelle der Gravitationsbeschleunigung ist, wie auf anderen Planeten,Ghat andere Werte.

Die Formel für GPE impliziert, dass je massereicher ein Objekt ist oder je höher es platziert ist, desto mehr potenzielle Energie enthält es. Dies wiederum erklärt, warum ein Penny, der von der Spitze eines Gebäudes fällt, nach unten viel schneller geht als einer, der aus der Tasche einer Person direkt über dem Bürgersteig fällt. (Dies ist auch ein Beispiel für die Energieerhaltung: Wenn das Objekt fällt, wird seine potentielle Energie sinkt, also muss seine kinetische Energie um den gleichen Betrag zunehmen, damit die Gesamtenergie erhalten bleibt Konstante.)

Aus einer höheren Höhe zu starten bedeutet, dass der Penny über eine längere Strecke nach unten beschleunigt, was am Ende der Fahrt zu einer höheren Geschwindigkeit führt. Oder, um sich über eine längere Distanz fortzubewegen, muss der Groschen auf dem Dach mit mehr potentieller Energie begonnen haben, was die GPE-Formel quantifiziert.

Ordne die folgenden Objekte von der höchsten zur niedrigsten potentiellen Gravitationsenergie:

• Eine 50 kg schwere Frau oben auf einer 3-m-Leiter
• Eine 30-kg-Umzugskiste oben auf einem 10-m-Absatz
• Eine 250 kg schwere Langhantel wird 0,5 m über dem Kopf eines Powerlifters gehalten held

Um diese zu vergleichen, berechnen Sie GPE für jede Situation mit der Formel GPE = mgh.

• Frauen-GPE = (55 kg) (9,8 m/s .)²)(3 m) = 1.617 J
• Umzugskarton GPE = (30 kg) (9,8 m/s .)²)(10 m) = 2.940 J
• Langhantel-GPE = (250 kg) (9,8 m/s .)²)(0,5 m) = 1.470 J
  

Also, von den meisten zu den niedrigsten GPE ist die Reihenfolge: Umzugskarton, Frau, Langhantel.

Beachten Sie, dass mathematisch gesehen alle Objekte auf der Erde waren und den gleichen Wert fürG, würde das Weglassen dieser Zahl immer noch die richtige Reihenfolge ergeben (aber dies würdenichtgeben Sie die tatsächlichen Energiemengen in Joule an!).

Betrachten Sie stattdessen, dass sich die bewegliche Kiste auf dem Mars statt auf der Erde befand. Auf dem Mars beträgt die Erdbeschleunigung etwa ein Drittel der Erdbeschleunigung. Das bedeutet, dass die bewegliche Kiste etwa ein Drittel der GPE-Menge auf dem Mars in 10 m Höhe oder 980 J haben würde.