Kaikilla fysiikan opiskelijoilla on potentiaalia - potentiaalista energiaa. Mutta niillä, jotka vievät aikaa selvittämään, mitä se tarkoittaa fysiikan kannalta, onenemmän potentiaaliavaikuttaa ympäröivään maailmaan kuin niihin, jotka eivät. Ainakin he pystyvät vastaamaan tietoisesti nyrkkeilevälle aikuiselle, jolla on internet-meemivinkki: "En ole laiska, olen täynnä potentiaalista energiaa."
Mikä on potentiaalinen energia?
Potentiaalisen energian käsite saattaa tuntua aluksi sekavalta. Mutta lyhyesti sanottuna, voit ajatella potentiaalista energiaa varastoituna energiana. Siinä onpotentiaaliamuuttua liikkeeksi ja saada jotain tapahtumaan, kuten paristo, jota ei vielä ole kytketty, tai spagettilevy, jonka juoksija on syömässä kilpailua edeltävänä iltana.
Potentiaalinen energia on yksi maailmankaikkeuden kolmesta laajasta energialuokasta. Kaksi muuta ovat liike-energia, joka on liikkeen energia, ja lämpöenergia, joka on erityinen, uudelleenkäytettävä kineettisen energian tyyppi.
Ilman potentiaalista energiaa ei voida säästää energiaa myöhempää käyttöä varten. Onneksi potentiaalista energiaa on paljon, ja se muuntaa jatkuvasti edestakaisin itsensä ja kineettisen energian välillä, jolloin tavarat tapahtuvat.
Jokaisen muutoksen myötä osa potentiaalisesta ja kineettisestä energiasta muuttuu lämpöenergiaksi, joka tunnetaan myös nimellä lämpö. Lopulta koko maailmankaikkeuden energia muuttuu lämpöenergiaksi, ja se kokee "lämpökuoleman", kun potentiaalista energiaa ei enää ole. Mutta siihen kaukana tulevaan aikaan asti potentiaalinen energia pitää toimintamahdollisuudet avoimina.
SI-yksikkö potentiaalienergialle ja mikä tahansa energian tälle aineelle on joule, jossa 1 joule = 1 (newton) (metri).
Potentiaalisen energian tyypit ja esimerkit
Potentiaalista energiaa on monenlaisia. Näitä energiamuotoja ovat:
Mekaaninen potentiaalienergia:Tämä tunnetaan myös nimellä gravitaatiopotentiaalienergia tai GPE, tämä viittaa energian varastointiinkohteen sijainti suhteessa painovoimakenttään, kuten lähellä maapallon pintaa.
Esimerkiksi hyllyn yläosassa istuva kirja voi pudota alas painovoiman vuoksi. Mitä korkeampi se on suhteessa maahan - ja siten suhteessa maahan, painovoimakentän lähteeseen -, sitä pidempään putoamiseen se voi kulkea. Lisää tästä myöhemmin.
Kemiallinen potentiaalienergia:Molekyylisidoksiin varastoitu energia on kemiallista energiaa. Se voidaan vapauttaa ja muuttaa kineettiseksi energiaksi rikkomalla sidoksia.Näin ollen mitä enemmän sidoksia molekyylissä on, sitä enemmän potentiaalista energiaa se sisältää.
Esimerkiksi syödessään ruokaa ruoansulatusprosessi hajottaa rasvamolekyylit, proteiinit, hiilihydraatit tai aminohapot, jotta keho voi käyttää tätä energiaa liikkumiseen. Koska rasvat ovat pisin niistä molekyyleistä, joilla on eniten sidoksia atomien välillä, ne varastoivat eniten energiaa.
Samoin nuotiossa käytettävät tukit sisältävät kemiallista potentiaalienergiaa, joka vapautuu poltettaessa ja puun molekyylien väliset sidokset katkeavat. Kaikki, mikä vaatii kemiallisen reaktion "menemiseksi" - mukaan lukien akkujen käyttö tai bensiinin polttaminen autossa - sisältää kemiallista potentiaalista energiaa.
Elastinen potentiaalienergia:Tämä potentiaalienergian muoto on energia, joka on varastoitu kohteen muodonmuutokseen normaalista muodostaan. Kun esine venytetään tai puristetaan alkuperäisestä muodostaan - esim. Vedetty kuminauha tai jousi pidetään tiukassa kelassa - siinä onpotentiaaliakeväällä tai palautua takaisin, kun se vapautetaan. Tai squishy-sohvatyynyä painetaan siinä istuvan henkilön painatuksella, niin että seisomisen jälkeen jälki nousee hitaasti takaisin, kunnes sohva näyttää samalta kuin ennen kuin he istuivat.
Ydinpotentiaalienergia:Atomeja yhdessä pitävät ydinvoimat varastoivat paljon potentiaalista energiaa. Esimerkiksi voimakas ydinvoima ytimen sisällä, joka pitää protonit ja neutronit paikallaan. Siksi on niin vaikeaa jakaa atomeja, prosessi, joka tapahtuu vain ydinreaktoreissa, hiukkaskiihdyttimissä, tähtikeskuksissa tai muissa korkean energian tilanteissa.
Ydinpotentiaalienergiaa varastoidaan, eikä sitä pidä sekoittaa kemialliseen potentiaalienergiaanyksittäisten atomien sisällä. Kuten heidän nimensä kertoo, atomipommit edustavat ihmiskunnan yhtä aggressiivisinta ydinpotentiaalien käyttöä.
Sähköpotentiaalienergia:Tämä energia varastoidaan pitämällä sähkövaroja tietyssä kokoonpanossa. Esimerkiksi kun villapaita, jossa on paljon sisäänrakennettuja negatiivisia varauksia, tuodaan lähelle positiivista tai neutraalia esinettä, sillä onpotentiaaliaaiheuttaa liikettä houkuttelemalla positiivisia varauksia ja torjumalla muita negatiivisia varauksia.
Kaikilla sähkökentässä paikallaan pidetyillä yksittäisillä varauksilla on myös sähköpotentiaalienergia. Tämä esimerkki on analoginen gravitaatiopotentiaalienergialle siinä mielessä, että varauksen sijainti sähkökentän suhteen on mikä määrittää potentiaalienergian määrän samalla tavalla kuin kohteen sijainti suhteessa painovoimakenttään määrittää sen GPE: n.
Painovoiman potentiaalienergian kaava
Gravitaatiopotentiaalienergia eli GPE on yksi harvoista energiatyypeistä, joille lukion fysiikan opiskelijat suorittavat tyypillisesti laskutoimituksia (muut ovat lineaarista ja kiertokineettistä energiaa). Se johtuu painovoimasta. Muuttujat, jotka vaikuttavat siihen, kuinka paljon GPE-esineellä objektilla on, ovat massaam,kiihtyvyys painovoiman takiag, ja korkeush.
GPE = mgh
Jos GPE mitataan jouleina (J), massa kilogrammoina (kg), painovoimasta johtuva kiihtyvyys metreinä sekunnissa sekunnissa (m / s2) ja korkeus metreinä (m).
Huomaa, että maan päällägpidetään aina yhtä suurena kuin 9,8 m / s2. Muissa paikoissa, joissa Maa ei ole painovoiman kiihtyvyyden lähde, kuten muilla planeetoilla,gon muita arvoja.
GPE-kaava viittaa siihen, että mitä massiivisempi esine on tai mitä korkeammalle se sijoitetaan, sitä enemmän potentiaalista energiaa se sisältää. Tämä puolestaan selittää, miksi rakennuksen yläosasta pudotettu penniäkin menee alareunassa paljon nopeammin kuin yksi, joka pudotetaan henkilön taskusta suoraan jalkakäytävän yläpuolelle. (Tämä on myös esimerkki energiansäästöstä: kun esine putoaa, sen potentiaalinen energia pienenee, joten sen kineettisen energian täytyy kasvaa yhtä paljon, jotta kokonaisenergia säilyisi vakio.)
Aloittaminen korkeammalta tarkoittaa, että sentti kiihtyy alaspäin pidemmällä etäisyydellä, mikä johtaa nopeammin matkan loppuun mennessä. Tai, jos haluat liikkua pidemmällä etäisyydellä, katon penni on oltava alkanut enemmän potentiaalista energiaa, jonka GPE-kaava määrittelee.
GPE-esimerkki
Sijoita seuraavat kohteet pienimmän painovoiman potentiaalienergiasta:
- 50 kg painava nainen 3 m tikkaiden yläosassa
- 30 kg painava kuljetuslaatikko 10 m laskuosan yläosassa
- 250 kg painava tanko piti 0,5 m voimanostimen pään yläpuolella
Voit verrata näitä laskemalla GPE kullekin tilanteelle kaavalla GPE = mgh.
- Nainen GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1617 J
- Siirtolaatikko GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- Sangan GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1 470 J
Joten suurimmasta vähiten GPE: hen tilaus on: siirtolaatikko, nainen, tanko.
Huomaa, että matemaattisesti, koska kaikki objektit olivat maapallolla ja niillä oli sama arvog, numeron jättäminen pois johtaisi silti oikeaan järjestykseen (mutta tekemällä niineianna todelliset energiamäärät jouleina!).
Ajattele sen sijaan, että liikkuva laatikko oli Marsilla maan sijasta. Marsilla painovoiman aiheuttama kiihtyvyys on suunnilleen kolmasosa maapallolla olevasta. Tämä tarkoittaa, että liikkuvassa laatikossa olisi noin kolmasosa GPE: n määrästä Marsilla 10 metrin korkeudella eli 980 J.