Wenn jemand eine Kaffeetasse vom Tisch hebt, arbeitet ergegen die Schwerkraft.Sobald die Tasse nicht mehr auf dem Tisch, sondern mitten in der Luft steht, hat sie potentielle Energie gespeichert. Wenn es losgelassen würde, würde es fallen.
Die Schwerkraft ist ein Beispiel für akonservative Kraft. Andere Kräfte um uns herum speichern in ähnlicher Weise Energie in einem System, indem sie Objekte in einer bestimmten Konfiguration halten, die zu Bewegung führt und die gespeicherte Energie nach ihrer Freisetzung in kinetische Energie umwandelt.
Die gesamte kinetische und potentielle Energie in einem System wird als die gesamte mechanische Energie des Systems bezeichnet. Die Gesamtenergie ist die Summe aus mechanischer Energie und thermischer und anderer Energieformen.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Konservative Kräfte führen zu gespeicherter potentieller Energie.
Definition einer konservativen Kraft
Schauen Sie sich die Kaffeetasse noch einmal an. Ob die Tasse höher als die Taille der Person nach oben geworfen wird, bevor sie in Hüfthöhe in den Händen erfasst wird, oder ob es wird einfach gerade bis auf Hüfthöhe angehoben, die Menge an gravitativer potentieller Energie, die die Tasse am Ende enthält, bleibt die gleich. Es hat den gleichen Fall, wenn es in beiden Fällen von Taillenhöhe abfällt.
Anders ausgedrückt, die Menge an potentieller Energie, die ein Objekt durch eine konservative Kraft gewinnt, beträgtwegunabhängig: es hängt nur vom Objekt abEndverschiebung (Differenz zwischen Endposition und Ausgangsposition), nicht die zurückgelegte Gesamtstrecke. Während im ersten Fall die Tasse reisteinsgesamt weitervon Punkt a zu Punkt b – nach oben bewegen, sofort anhalten und dann auf die Hände fallen das hat es erwischt – es begann und endete immer noch in den gleichen Positionen wie der Becher, der einfach angehoben wurde oben. Das macht die gesamte Änderung der potentiellen Energieaus der Schwerkraftfür jede Tasse das gleiche.
Im Gegensatz dazu führt eine nicht-konservative Kraft nicht zu gespeicherter Energie. Stattdessen die Energie, die von einer nicht konservativen Kraft verwendet wird, um Arbeit zu verrichtenlöst sich auf als Wärme (Wärmeenergie) an die Umgebung abgegeben und nicht wiederverwendet werden.
Eine andere übliche Definition einer konservativen Kraft ist eine, bei der die in einem geschlossenen Pfad geleistete Netzarbeit Null ist. Ein geschlossener Pfad ist ein Pfad, bei dem das Objekt an derselben Position beginnt und endet (seine Verschiebung ist Null). weilArbeitin der Physik ist die KraftFEinwirken auf ein Objekt multipliziert mit seiner Verschiebungd
W=Fd
Daraus folgt, dass, wenn die Verschiebung eines Objekts Null ist, auch die Gesamtarbeit ist. Die Kraft, die es bewegte, muss also konservativ gewesen sein.
Beispiele für konservative Kräfte
Wie die Schwerkraft verursachen andere konservative Kräfte eine Positionsänderung eines Objekts, die zu gespeicherter Energie führt. Zum Beispiel sind die Federkraft in einem gewickelten Spielzeug wie einem Slinky oder ein Pfeil, der an einem Bogen zurückgezogen wird, konservative Kräfte, ebenso wie die Elektrostatik Kräfte, die zwei geladene Teilchen in einiger Entfernung voneinander halten, oder die magnetischen Kräfte, die den Nord- und Südpol oder zwei Stabmagnete halten ein Teil.
Sobald die Objekte in einem dieser Fälle "losgelassen" werden, bewegen sie sich. Der Slinky springt auf, der Pfeil fliegt zum Ziel oder die Partikel werden angezogen oder abgestoßen.
Warum konservative Kräfte wichtig sind
Konservative Kräfte ermöglichen es dem Menschen, Energie zu speichern, die später für nützliche Arbeit verwendet werden kann. Sie sind eine Quelle für wiederverwendbare Energie – ein Objekt kann vom Boden abgehoben werden, damit die Gravitationskraft immer wieder darauf einwirkt, und ein Pfeil und Bogen kann mehrmals gesetzt und losgelassen werden.
Natürlich existieren konservative Kräfte in der realen Welt nicht isoliert. In jeder der hier beschriebenen SituationenEin Teil der Energie wird immer als Wärme durch die Reibungskraft abgeführt, eine nicht-konservative Kraft, und nicht mehr in der Lage, direkt zu gespeicherter Energie in diesem System zurückzukehren.
Auch konservative Kräfte sind selbst nicht grenzenlos. Irgendwann erreicht eine gedehnte Feder ihre Elastizitätsgrenze und bricht. Eine zu hoch fallende Kaffeetasse wird irreparabel auseinanderbrechen. Aber mit einem soliden Verständnis der Grenzen dieses Objekts kann ein Physiker oder Ingenieur Dämme, Standuhren, Autobatterien und unzählige andere Geräte herstellen, die nützliche Dinge tun können.