Πιθανή ενέργεια: Τι είναι και γιατί έχει σημασία (χωρίς φόρμουλα και παραδείγματα)

Όλοι οι μαθητές φυσικής έχουν πιθανή - πιθανή ενέργεια, δηλαδή. Αλλά αυτοί που χρειάζονται χρόνο για να καθορίσουν τι σημαίνει αυτό θα έχει η φυσικήπερισσότερες δυνατότητεςνα επηρεάσει τον κόσμο γύρω τους από εκείνους που δεν το κάνουν. Τουλάχιστον, θα είναι σε θέση να απαντήσουν εν γνώσει τους σε έναν γοητευτικό ενήλικα με ένα δελτίο meme quip: «Δεν είμαι τεμπέλης, ξεχειλίζω με πιθανή ενέργεια»

Η ιδέα της δυνητικής ενέργειας μπορεί να φαίνεται αρχικά συγκεχυμένη. Εν ολίγοις, μπορείτε να σκεφτείτε την πιθανή ενέργεια ως αποθηκευμένη ενέργεια. Έχει τοδυνητικόςνα μετατραπεί σε κίνηση και να συμβεί κάτι, όπως μια μπαταρία που δεν είναι ακόμη συνδεδεμένη ή ένα πιάτο μακαρόνια που ένας δρομέας πρόκειται να φάει τη νύχτα πριν από τον αγώνα.

Η πιθανή ενέργεια είναι μία από τις τρεις ευρείες κατηγορίες ενέργειας που βρίσκονται στο σύμπαν. Οι άλλες δύο είναι η κινητική ενέργεια, η οποία είναι η ενέργεια της κίνησης και η θερμική ενέργεια, η οποία είναι ένας ειδικός, μη επαναχρησιμοποιήσιμος τύπος κινητικής ενέργειας.

Χωρίς πιθανή ενέργεια, καμία ενέργεια δεν θα μπορούσε να εξοικονομηθεί για μελλοντική χρήση. Ευτυχώς, υπάρχει αρκετή δυνητική ενέργεια και μεταβάλλεται συνεχώς μεταξύ του και της κινητικής ενέργειας, κάνοντας τα πράγματα να συμβούν.

Με κάθε μετασχηματισμό, κάποια δυναμική και κινητική ενέργεια μετατρέπεται σε θερμική ενέργεια, επίσης γνωστή ως θερμότητα. Τελικά, όλη η ενέργεια του σύμπαντος θα μετατραπεί σε θερμική ενέργεια και θα βιώσει «θερμικό θάνατο», όταν δεν υπάρχει πλέον πιθανή ενέργεια. Αλλά μέχρι εκείνη τη μακρινή μελλοντική ώρα, η πιθανή ενέργεια θα διατηρήσει τις δυνατότητες δράσης ανοιχτές.

Η μονάδα SI για πιθανή ενέργεια, και οποιαδήποτε ενέργεια για αυτό το θέμα, είναι η joule, όπου 1 joule = 1 (newton) (μέτρο).

Υπάρχουν πολλοί τύποι δυναμικής ενέργειας. Μεταξύ αυτών των μορφών ενέργειας είναι:

​Μηχανική δυνητική ενέργεια:Επίσης γνωστό ως δυναμική ενέργεια βαρύτητας, ή GPE, αυτό αναφέρεται σε ενέργεια που αποθηκεύεται απόθέση του αντικειμένου σε σχέση με ένα βαρυτικό πεδίο, όπως αυτό κοντά στην επιφάνεια της Γης​.

Για παράδειγμα, ένα βιβλίο που κάθεται στην κορυφή ενός ραφιού έχει τη δυνατότητα να πέσει κάτω λόγω της δύναμης της βαρύτητας. Όσο υψηλότερο είναι σε σχέση με το έδαφος - και ως εκ τούτου σε σχέση με τη Γη, η πηγή του βαρυτικού πεδίου - τόσο μεγαλύτερη είναι η πτώση που έχει τη δυνατότητα να διασχίσει. Περισσότερα για αυτό αργότερα.

​Χημική δυνητική ενέργεια:Η ενέργεια που αποθηκεύεται σε μοριακούς δεσμούς είναι χημική ενέργεια. Μπορεί να απελευθερωθεί και να μετατραπεί σε κινητική ενέργεια με τη διάσπαση δεσμών.Ως εκ τούτου, όσο περισσότεροι δεσμοί σε ένα μόριο, τόσο περισσότερη πιθανή ενέργεια περιέχει.​

Για παράδειγμα, όταν τρώτε φαγητό, η διαδικασία της πέψης διαλύει μόρια λιπών, πρωτεϊνών, υδατανθράκων ή αμινοξέων, έτσι ώστε το σώμα να μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτήν την ενέργεια για να κινηθεί. Επειδή τα λίπη είναι τα μεγαλύτερα από αυτά τα μόρια με τους περισσότερους δεσμούς μεταξύ των ατόμων, αποθηκεύουν την περισσότερη ενέργεια.

Παρομοίως, οι κορμοί που χρησιμοποιούνται σε μια πυρά προσκόπων περιέχουν χημική δυνητική ενέργεια που απελευθερώνεται όταν καίγονται και οι δεσμοί μεταξύ των μορίων στο ξύλο είναι σπασμένοι. Οτιδήποτε απαιτεί χημική αντίδραση στο "go" - συμπεριλαμβανομένης της χρήσης μπαταριών ή της καύσης βενζίνης σε ένα αυτοκίνητο - περιέχει χημική δυνητική ενέργεια.

​Ελαστική δυναμική ενέργεια:Αυτή η μορφή δυνητικής ενέργειας είναι η ενέργεια που αποθηκεύεται στην παραμόρφωση ενός αντικειμένου από το κανονικό του σχήμα. Όταν ένα αντικείμενο τεντώνεται ή συμπιέζεται από το αρχικό του σχήμα - ας πούμε μια λαστιχένια ταινία που τραβιέται ή ένα ελατήριο που συγκρατείται σε ένα σφιχτό πηνίο - έχει τοδυνητικόςνα ανοίξει ή να αναπηδήσει όταν απελευθερωθεί. Ή, ένα μαλακό μαξιλάρι καναπέ πιέζεται με το αποτύπωμα ενός ατόμου που κάθεται πάνω του, έτσι ώστε, όταν στέκονται, το αποτύπωμα ανεβαίνει αργά πίσω μέχρι ο καναπές να φαίνεται όπως έκανε πριν καθίσουν.

​Πυρηνική δυναμική ενέργεια:Πολλή πιθανή ενέργεια αποθηκεύεται από τις πυρηνικές δυνάμεις που συγκρατούν άτομα μαζί. Για παράδειγμα, η ισχυρή πυρηνική δύναμη μέσα σε έναν πυρήνα που κρατά τα πρωτόνια και τα νετρόνια στη θέση τους. Γι 'αυτό είναι τόσο δύσκολο να διαχωριστούν τα άτομα, μια διαδικασία που συμβαίνει μόνο σε πυρηνικούς αντιδραστήρες, επιταχυντές σωματιδίων, στα κέντρα των αστεριών ή σε άλλες καταστάσεις υψηλής ενέργειας.

Για να μην συγχέεται με τη χημική ενέργεια, η πυρηνική ενέργεια αποθηκεύεταιμέσα σε μεμονωμένα άτομα. Όπως αναφέρει το όνομά τους, οι ατομικές βόμβες αντιπροσωπεύουν μια από τις πιο επιθετικές χρήσεις της πυρηνικής ενέργειας της ανθρωπότητας.

​Ηλεκτρική δυναμική ενέργεια:Αυτή η ενέργεια αποθηκεύεται διατηρώντας τα ηλεκτρικά φορτία σε μια συγκεκριμένη διαμόρφωση. Για παράδειγμα, όταν ένα πουλόβερ που έχει πολλά ενσωματωμένα αρνητικά φορτία πλησιάζει ένα θετικό ή ουδέτερο αντικείμενο, έχει τοδυνητικόςνα προκαλέσει κίνηση προσελκύοντας θετικά φορτία και απωθώντας άλλες αρνητικές χρεώσεις.

Κάθε μεμονωμένο φορτισμένο σωματίδιο που διατηρείται στη θέση του σε ηλεκτρικό πεδίο έχει επίσης ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό το παράδειγμα είναι ανάλογο με τη βαρυτική δυνητική ενέργεια στο ότι η θέση του φορτίου σε σχέση με το ηλεκτρικό πεδίο είναι αυτό προσδιορίζει την ποσότητα της δυνητικής ενέργειας, όπως ακριβώς η θέση ενός αντικειμένου σε σχέση με το βαρυτικό πεδίο καθορίζει το GPE του.

Η βαρυτική δυνητική ενέργεια, ή GPE, είναι ένας από τους λίγους τύπους ενέργειας για τους οποίους οι μαθητές φυσικής γυμνασίου εκτελούν συνήθως υπολογισμούς (άλλοι είναι γραμμική και περιστροφική κινητική ενέργεια). Είναι αποτέλεσμα της βαρυτικής δύναμης. Οι μεταβλητές που επηρεάζουν πόσο GPE έχει ένα αντικείμενο είναι μάζαΜ,την επιτάχυνση λόγω βαρύτηταςσολκαι ύψοςη.​

Όπου το GPE μετράται σε joules (J), μάζα σε χιλιόγραμμα (kg), επιτάχυνση λόγω βαρύτητας σε μέτρα ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο (m / s²) και ύψος σε μέτρα (m).

Σημειώστε ότι στη Γη,σολαντιμετωπίζεται ως πάντα ίσο με 9,8 m / s². Σε άλλες περιοχές όπου η Γη δεν είναι η τοπική πηγή βαρυτικής επιτάχυνσης, όπως σε άλλους πλανήτες,σολέχει άλλες τιμές.

Ο τύπος για το GPE υπονοεί ότι όσο πιο μαζικό είναι ένα αντικείμενο ή όσο υψηλότερο τοποθετείται, τόσο περισσότερη πιθανή ενέργεια περιέχει. Αυτό με τη σειρά του εξηγεί γιατί μια δεκάρα που πέφτει από την κορυφή ενός κτιρίου θα πηγαίνει πολύ πιο γρήγορα στο κάτω μέρος από μια που πέφτει από την τσέπη ενός ατόμου ακριβώς πάνω από το πεζοδρόμιο. (Αυτό είναι επίσης μια απεικόνιση της εξοικονόμησης ενέργειας: καθώς το αντικείμενο πέφτει, η πιθανή του ενέργεια μειώνεται, οπότε η κινητική του ενέργεια πρέπει να αυξηθεί κατά την ίδια ποσότητα για να παραμείνει η συνολική ενέργεια συνεχής.)

Η εκκίνηση σε υψηλότερο ύψος σημαίνει ότι η πένα θα επιταχυνθεί προς τα κάτω σε μεγαλύτερη απόσταση, με αποτέλεσμα μια ταχύτερη ταχύτητα μέχρι το τέλος του ταξιδιού. Ή, για να συνεχίσει να κινείται σε μεγαλύτερη απόσταση, η πένα στην οροφή πρέπει να είχε ξεκινήσει με περισσότερη δυναμική ενέργεια, την οποία ποσοτικοποιεί ο τύπος GPE.

Κατατάξτε τα ακόλουθα αντικείμενα από την πιο πιθανή ενέργεια βαρύτητας:

• Μια γυναίκα 50 κιλών στην κορυφή μιας σκάλας 3 μέτρων
• Κινούμενο κιβώτιο 30 κιλών στην κορυφή προσγείωσης 10 μέτρων
• Μία μπάρα βάρους 250 κιλών που κρατήθηκε 0,5 μ. Πάνω από το κεφάλι ενός ανυψωτήρα ισχύος

Για να τα συγκρίνετε, υπολογίστε το GPE για κάθε κατάσταση χρησιμοποιώντας τον τύπο GPE = mgh.

• Γυναίκα GPE = (55 kg) (9,8 m / s²) (3 m) = 1.617 J
• Κινούμενο κιβώτιο GPE = (30 kg) (9,8 m / s²) (10 m) = 2.940 J
• Barbell GPE = (250 kg) (9,8 m / s²) (0,5 m) = 1.470 J
  

Έτσι, από το μεγαλύτερο έως το λιγότερο GPE η παραγγελία είναι: κινούμενο κουτί, γυναίκα, barbell.

Σημειώστε ότι, μαθηματικά, αφού όλα τα αντικείμενα ήταν στη Γη και είχαν την ίδια τιμή γιασολ, η έξοδος από αυτόν τον αριθμό θα είχε ως αποτέλεσμα τη σωστή σειρά (αλλά κάτι τέτοιο θα συνέβαινεδενδώστε τις πραγματικές ποσότητες ενέργειας σε joules!).

Σκεφτείτε αντ 'αυτού ότι το κινούμενο κουτί ήταν στον Άρη αντί στη Γη. Στον Άρη, η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα είναι περίπου το ένα τρίτο της γης. Αυτό σημαίνει ότι το κινούμενο κιβώτιο θα έχει περίπου το ένα τρίτο της ποσότητας GPE στον Άρη ύψους 10 μέτρων ή 980 J.