Kõigil füüsikaõpilastel on potentsiaal - potentsiaalne energia, see tähendab. Kuid neil, kes leiavad aega, et otsustada, mida see füüsika mõttes tähendabrohkem potentsiaalimõjutada ümbritsevat maailma kui need, kes seda ei tee. Vähemalt suudavad nad internetimeemi vihjega näägutavale täiskasvanule teadlikult vastata: "Ma pole laisk, ma olen potentsiaalse energiaga üle ujutatud."
Mis on potentsiaalne energia?
Potentsiaalse energia mõiste võib esialgu tunduda segane. Lühidalt öeldes võite mõelda potentsiaalsest energiast kui salvestatud energiast. Sellel onpotentsiaalmuutuda liikumiseks ja panna midagi juhtuma, näiteks veel ühendamata patarei või spagetitaldrik, mille jooksja sööb võistluseelsel õhtul.
Potentsiaalne energia on üks kolmest universumis leiduvast energia kategooriast. Kaks ülejäänud on kineetiline energia, mis on liikumise energia, ja soojusenergia, mis on spetsiaalne, korduvkasutamatu kineetilise energia tüüp.
Ilma potentsiaalse energiata ei saa energiat hilisemaks kasutamiseks kokku hoida. Õnneks on potentsiaalset energiat küllaga ja see muundub pidevalt edasi-tagasi enda ja kineetilise energia vahel, pannes asjad juhtuma.
Iga teisendusega muundub osa potentsiaalsest ja kineetilisest energiast soojusenergiaks, mida nimetatakse ka soojuseks. Lõpuks muundatakse kogu universumi energia soojusenergiaks ja see kogeb "sooja surma", kui potentsiaalset energiat enam pole. Kuid kuni selle kaugema tulevase ajani hoiab potentsiaalne energia võimalused tegutsemiseks avatuks.
Potentsiaalse energia ja selle jaoks mis tahes energiaallika SI ühik on džaul, kus 1 džaul = 1 (njuuton) (meeter).
Potentsiaalse energia tüübid ja näited
Potentsiaalset energiat on mitut tüüpi. Nende energiavormide hulgas on:
Mehaaniline potentsiaalne energia:Tuntud ka kui gravitatsioonipotentsiaalenergia ehk GPE, viitab see energia salvestamiseleobjekti asukoht gravitatsioonivälja suhtes, näiteks Maa pinna lähedal.
Näiteks võib raamat, mis istub riiuli ülaosas, raskusjõu tõttu alla kukkuda. Mida kõrgem see on maapinna suhtes - ja seeläbi ka Maa, mis on gravitatsioonivälja allikas, - seda pikema kukkumise korral on tal võimalik läbida. Lisateavet selle kohta hiljem.
Keemiline potentsiaalne energia:Molekulaarsidemetesse salvestatud energia on keemiline energia. Seda saab sidemete purustamisega vabastada ja muuta kineetiliseks energiaks.Seega, mida rohkem molekulis sidemeid, seda rohkem potentsiaalset energiat see sisaldab.
Näiteks lõhustades toitu seedimise käigus lagundatakse rasvade, valkude, süsivesikute või aminohapete molekule, nii et keha saaks seda energiat liikumiseks kasutada. Kuna rasvad on kõige pikemad molekulidest, millel on aatomite vahel kõige rohkem sidemeid, salvestavad nad kõige rohkem energiat.
Samamoodi sisaldavad lõkkes kasutatavad palgid keemilist potentsiaalset energiat, mis eraldub nende põletamisel ja puidus olevate molekulide vaheliste sidemete purunemisel. Kõik, mis nõuab toimimiseks keemilist reaktsiooni, sealhulgas akude kasutamine või bensiini põletamine autos, sisaldab keemilist potentsiaalset energiat.
Elastne potentsiaalne energia:See potentsiaalse energia vorm on energia, mis on salvestatud objekti deformatsioonil selle normaalkujust. Kui ese venitatakse või surutakse kokku selle algsest kujust - ütleme, et välja tõmmatud kummipael või vedru tihedas mähises - on sellelpotentsiaalkevadeks või vabanedes tagasi põrkama. Või surutakse squishy diivanipadi koos sellel istuva jäljendiga, nii et seistes tõuseb jäljend aeglaselt tagasi, kuni diivan näeb välja nagu ta enne istumist.
Tuuma potentsiaalne energia:Aatomit koos hoidvad tuumajõud salvestavad palju potentsiaalset energiat. Näiteks tugev tuumajõud tuumas, mis hoiab prootoneid ja neutroneid paigas. Seetõttu on aatomeid nii raske jagada, see protsess toimub ainult tuumareaktorites, osakeste kiirendites, tähekeskustes või muudes suure energiaga olukordades.
Mitte segi ajada keemilise potentsiaalse energiaga, tuuma potentsiaalne energia on salvestatudüksikute aatomite sees. Nagu nende nimigi ütleb, esindavad aatomipommid inimkonna ühte agressiivsemat tuumaenergia potentsiaalset kasutamist.
Elektriline potentsiaalne energia:See energia salvestatakse elektrilaengute hoidmisega kindlas konfiguratsioonis. Näiteks kui kampsun, millel on palju sisseehitatud negatiivseid laenguid, viiakse positiivse või neutraalse objekti lähedale, on talpotentsiaalpõhjustada liikumist positiivsete laengute ligimeelitamise ja muude negatiivsete laengute tõrjumisega.
Igal elektriväljal paigal hoitaval üksikul laetud osakesel on ka elektriline potentsiaalenergia. See näide on analoogne gravitatsioonilise potentsiaalenergiaga, kuna laengu asukoht elektrivälja suhtes on milline määrab selle potentsiaalse energia hulga, täpselt nagu objekti asukoht gravitatsioonivälja suhtes määrab selle GPE.
Gravitatsioonilise potentsiaalse energia valem
Gravitatsioonipotentsiaalenergia ehk GPE on üks väheseid energialiike, mille jaoks keskkooli füüsikaõpilased tavaliselt arvutusi teevad (teised on lineaarne ja pöörlemiskineetiline energia). See tuleneb gravitatsioonijõust. Muutujad, mis mõjutavad objekti GPE-d, on massm,gravitatsioonist tingitud kiirendusgja kõrgush.
GPE = mgh
Kui GPE-d mõõdetakse džaulides (J), mass kilogrammides (kg), gravitatsioonist tingitud kiirendus meetrites sekundis sekundis (m / s2) ja kõrgus meetrites (m).
Pange tähele, et Maalgkäsitletakse alati võrdseks 9,8 m / s2. Muudes kohtades, kus Maa ei ole gravitatsioonikiirenduse kohalik allikas, näiteks muudel planeetidel,gon muid väärtusi.
GPE valem viitab sellele, et mida massiivsem on objekt või mida kõrgemale see asetatakse, seda rohkem potentsiaalset energiat see sisaldab. See omakorda seletab, miks hoone ülaosast maha kukutatud sent kulgeb allosas palju kiiremini kui inimese taskust otse kõnnitee kohal. (See on ka näide energia säästmisest: kui objekt langeb, siis selle potentsiaalne energia väheneb, nii et selle kineetiline energia peab kogu energia püsimiseks suurenema sama palju konstantne.)
Alustamine kõrgemalt tähendab, et sent kiireneb pikema vahemaa tagant allapoole, mille tulemuseks on reisi lõpuks suurem kiirus. Või pikema vahemaa tagant liikumiseks peab penn katusel olema alanud suurema potentsiaalse energiaga, mille GPE valem kvantifitseerib.
GPE näide
Järjekorras järgmised objektid gravitatsioonilisest potentsiaalsest energiast kõige vähem:
- 50-kilogrammine naine 3-meetrise redeli otsas
- 30-kilogrammine liikuv kast 10-meetrise maandumise ülaosas
- 250 kg kaaluv kang hoidis jõutõstuki pea kohal 0,5 m kõrgusel
Nende võrdlemiseks arvutage GPE iga olukorra jaoks valemiga GPE = mgh.
- Naise GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1617 J
- Liikuv kast GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- Tangide GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1 470 J
Nii et kõige vähemast GPE-ni on tellimus: kolimiskast, naine, kang.
Pange tähele, et matemaatiliselt, kuna kõik objektid olid Maal ja nende väärtus oli samag, jättes selle numbri välja, oleks ikkagi õige järjekord (kuid nii tehesmitteanna tegelikud energiakogused džaulides!).
Mõelge selle asemel, et liikuv kast oli Maa asemel Marsil. Marsil on gravitatsioonist tingitud kiirendus umbes üks kolmandik sellest, mis on Maal. See tähendab, et liikuvas kastis oleks Marsil 10 m kõrgusel umbes kolmandik GPE-st ehk 980 J.
