भौतिकी के सभी छात्रों में संभावित - संभावित ऊर्जा होती है, अर्थात। लेकिन जो लोग यह निर्धारित करने के लिए समय लेते हैं कि भौतिकी के संदर्भ में इसका क्या अर्थ हैअधिक क्षमताउनके आसपास की दुनिया को प्रभावित करने वालों की तुलना में जो नहीं करते हैं। बहुत कम से कम, वे एक इंटरनेट मेम चुटकी के साथ एक सताते वयस्क को जानबूझकर जवाब देने में सक्षम होंगे: "मैं आलसी नहीं हूं, मैं संभावित ऊर्जा से बह रहा हूं।"
संभावित ऊर्जा क्या है?
संभावित ऊर्जा की अवधारणा पहली बार में भ्रामक लग सकती है। लेकिन संक्षेप में, आप स्थितिज ऊर्जा को संचित ऊर्जा के रूप में सोच सकते हैं। इसमें हैक्षमतागति में बदलने और कुछ करने के लिए, जैसे बैटरी जो अभी तक कनेक्ट नहीं हुई है या स्पेगेटी की एक प्लेट जिसे एक धावक दौड़ से एक रात पहले खाने वाला है।
स्थितिज ऊर्जा ब्रह्मांड में पाई जाने वाली ऊर्जा की तीन व्यापक श्रेणियों में से एक है। अन्य दो गतिज ऊर्जा हैं, जो गति की ऊर्जा है, और तापीय ऊर्जा, जो एक विशेष, गैर-पुन: प्रयोज्य प्रकार की गतिज ऊर्जा है।
संभावित ऊर्जा के बिना, बाद में उपयोग के लिए कोई ऊर्जा नहीं बचाई जा सकती। सौभाग्य से, बहुत सारी संभावित ऊर्जा मौजूद है, और यह लगातार अपने और गतिज ऊर्जा के बीच आगे और पीछे परिवर्तित हो रही है, जिससे चीजें होती हैं।
प्रत्येक परिवर्तन के साथ, कुछ संभावित और गतिज ऊर्जा तापीय ऊर्जा में बदल जाती है, जिसे ऊष्मा भी कहा जाता है। आखिरकार, ब्रह्मांड की सारी ऊर्जा थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित हो जाएगी, और जब कोई और संभावित ऊर्जा मौजूद नहीं होगी तो यह "गर्मी मृत्यु" का अनुभव करेगी। लेकिन उस दूर के भविष्य के समय तक, संभावित ऊर्जा कार्रवाई की संभावनाओं को खुली रखेगी।
स्थितिज ऊर्जा के लिए SI इकाई, और उस पदार्थ के लिए ऊर्जा की कोई भी इकाई जूल है, जहां 1 जूल = 1 (न्यूटन) (मीटर)।
संभावित ऊर्जा के प्रकार और उदाहरण
स्थितिज ऊर्जा कई प्रकार की होती है। ऊर्जा के इन रूपों में से हैं:
यांत्रिक संभावित ऊर्जा:गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा, या GPE के रूप में भी जाना जाता है, यह a. द्वारा संग्रहीत ऊर्जा को संदर्भित करता हैगुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के सापेक्ष वस्तु की स्थिति, जैसे कि पृथ्वी की सतह के निकट.
उदाहरण के लिए, एक शेल्फ के शीर्ष पर बैठे एक पुस्तक में गुरुत्वाकर्षण बल के कारण नीचे गिरने की क्षमता है। यह जमीन के संबंध में जितना अधिक होता है - और इस तरह पृथ्वी के संबंध में, गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र का स्रोत - जितना अधिक समय तक गिरता है, उसमें पार करने की क्षमता होती है। इस पर और बाद में।
रासायनिक संभावित ऊर्जा:आणविक बंधों में संग्रहित ऊर्जा रासायनिक ऊर्जा है। इसे मुक्त किया जा सकता है और बंधनों को तोड़कर गतिज ऊर्जा में परिवर्तित किया जा सकता है।इसलिए, एक अणु में जितने अधिक बंधन होते हैं, उतनी ही अधिक संभावित ऊर्जा होती है।
उदाहरण के लिए, भोजन करते समय, पाचन की प्रक्रिया वसा, प्रोटीन, कार्बोहाइड्रेट या अमीनो एसिड के अणुओं को तोड़ देती है ताकि शरीर उस ऊर्जा को स्थानांतरित करने के लिए उपयोग कर सके। क्योंकि वसा उन अणुओं में सबसे लंबे होते हैं जिनमें परमाणुओं के बीच सबसे अधिक बंधन होते हैं, वे सबसे अधिक ऊर्जा संग्रहीत करते हैं।
इसी तरह, कैम्प फायर में उपयोग किए जाने वाले लॉग में रासायनिक संभावित ऊर्जा होती है जो जलने पर निकलती है और लकड़ी में अणुओं के बीच के बंधन टूट जाते हैं। किसी भी चीज़ को "जाने" के लिए रासायनिक प्रतिक्रिया की आवश्यकता होती है - जिसमें बैटरी का उपयोग करना या कार में गैसोलीन जलाना शामिल है - इसमें रासायनिक संभावित ऊर्जा होती है।
लोचदार ऊर्जा क्षमता:स्थितिज ऊर्जा का यह रूप किसी वस्तु के अपने सामान्य आकार से विरूपण में संग्रहीत ऊर्जा है। जब किसी वस्तु को उसके मूल आकार से खींचा या संकुचित किया जाता है - जैसे खींची गई रबर की पट्टी या एक तंग कुंडल में रखा हुआ स्प्रिंग - इसमें होता हैक्षमतावसंत के लिए या रिहा होने पर वापस उछाल। या, एक स्क्विशी काउच कुशन को उस पर बैठे किसी व्यक्ति की छाप के साथ दबाया जाता है ताकि, जब वे खड़े हों, तो छाप धीरे-धीरे वापस उठ जाए जब तक कि सोफे वैसा न दिखे जैसा उनके बैठने से पहले था।
परमाणु संभावित ऊर्जा:परमाणुओं को एक साथ रखने वाले परमाणु बलों द्वारा बहुत सारी संभावित ऊर्जा संग्रहीत की जाती है। उदाहरण के लिए, प्रोटॉन और न्यूट्रॉन को जगह में रखने वाले नाभिक के अंदर मजबूत परमाणु बल। यही कारण है कि परमाणुओं को विभाजित करना इतना कठिन है, एक प्रक्रिया जो केवल परमाणु रिएक्टरों, कण त्वरक, सितारों के केंद्र या अन्य उच्च ऊर्जा स्थितियों में होती है।
रासायनिक संभावित ऊर्जा के साथ भ्रमित होने की नहीं, परमाणु संभावित ऊर्जा संग्रहीत होती हैव्यक्तिगत परमाणुओं के अंदर. जैसा कि उनके नाम में कहा गया है, परमाणु बम परमाणु संभावित ऊर्जा के मानवता के सबसे आक्रामक उपयोगों में से एक का प्रतिनिधित्व करते हैं।
विद्युत संभावित ऊर्जा:यह ऊर्जा एक विशेष विन्यास में विद्युत आवेशों को धारण करके संग्रहित की जाती है। उदाहरण के लिए, जब एक स्वेटर जिसमें बहुत अधिक निर्मित ऋणात्मक आवेश होते हैं, उसे किसी धनात्मक या तटस्थ वस्तु के निकट लाया जाता है, तो उसमेंक्षमताधनात्मक आवेशों को आकर्षित करके और अन्य ऋणात्मक आवेशों को प्रतिकर्षित करके गति उत्पन्न करना।
विद्युत क्षेत्र में रखे गए किसी एकल आवेशित कण में भी विद्युत स्थितिज ऊर्जा होती है। यह उदाहरण गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा के अनुरूप है कि विद्युत क्षेत्र के संबंध में आवेश की स्थिति क्या है इसकी संभावित ऊर्जा की मात्रा निर्धारित करता है, जैसे गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र के संबंध में किसी वस्तु की स्थिति उसके जीपीई को निर्धारित करती है।
गुरुत्वीय स्थितिज ऊर्जा सूत्र
गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा, या जीपीई, कुछ प्रकार की ऊर्जा में से एक है जिसके लिए हाई स्कूल भौतिकी के छात्र आमतौर पर गणना करते हैं (अन्य रैखिक और घूर्णी गतिज ऊर्जा हैं)। यह गुरुत्वाकर्षण बल का परिणाम है। किसी वस्तु के GPE की मात्रा को प्रभावित करने वाले चर बड़े पैमाने पर होते हैंम,गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरणजी, और ऊंचाईएच
जीपीई = एमजीएच
जहां GPE को जूल (J) में मापा जाता है, द्रव्यमान किलोग्राम (kg) में, गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण मीटर प्रति सेकंड प्रति सेकंड (m/s) में मापा जाता है2) और ऊंचाई मीटर (एम) में।
ध्यान दें कि पृथ्वी पर,जीहमेशा 9.8 m/s. के बराबर माना जाता है2. अन्य स्थानों पर जहां पृथ्वी गुरुत्वाकर्षण त्वरण का स्थानीय स्रोत नहीं है, जैसे कि अन्य ग्रहों पर,जीअन्य मूल्य हैं।
GPE के सूत्र का तात्पर्य है कि कोई वस्तु जितनी अधिक विशाल होती है या जितनी ऊँची रखी जाती है, उसमें उतनी ही अधिक संभावित ऊर्जा होती है। यह बदले में बताता है कि एक इमारत के ऊपर से गिरा एक पैसा फुटपाथ के ठीक ऊपर किसी व्यक्ति की जेब से गिराए गए पैसे की तुलना में नीचे की ओर बहुत तेजी से क्यों जा रहा है। (यह भी ऊर्जा के संरक्षण का एक उदाहरण है: जैसे ही वस्तु गिरती है, उसकी स्थितिज ऊर्जा कम हो जाती है, इसलिए कुल ऊर्जा के बने रहने के लिए इसकी गतिज ऊर्जा को उसी मात्रा में बढ़ाना चाहिए लगातार।)
अधिक ऊंचाई से शुरू करने का मतलब है कि लंबी दूरी पर पैसा नीचे की ओर गति करेगा, जिसके परिणामस्वरूप यात्रा के अंत तक तेज गति होगी। या, लंबी दूरी पर चलते रहने के लिए, छत पर पैसा अधिक संभावित ऊर्जा के साथ शुरू हुआ होगा, जिसे जीपीई सूत्र निर्धारित करता है।
जीपीई उदाहरण
निम्नलिखित वस्तुओं को सबसे कम से कम गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा से रैंक करें:
- 3 मीटर सीढ़ी के शीर्ष पर 50 किलो की महिला
- 10-मी लैंडिंग के शीर्ष पर 30 किलो का एक मूविंग बॉक्स
- एक 250 किलो का बारबेल एक पावर लिफ्टर के सिर से 0.5 मीटर ऊपर रखा जाता है
इनकी तुलना करने के लिए, प्रत्येक स्थिति के लिए GPE = mgh सूत्र का उपयोग करके GPE की गणना करें।
- महिला GPE = (55 किग्रा)(9.8 मी/से2)(3 मीटर) = 1,617 जे
- मूविंग बॉक्स GPE = (30 किग्रा)(9.8 m/s .)2)(१० मीटर) = २,९४० जे
- बारबेल जीपीई = (250 किग्रा)(9.8 मी/से2)(0.5 मीटर) = 1,470 जे
तो, कम से कम जीपीई से आदेश है: चलती बॉक्स, महिला, लोहे का दंड।
ध्यान दें कि, गणितीय रूप से, चूंकि सभी वस्तुएं पृथ्वी पर थीं और उनका मान समान थाजी, उस नंबर को छोड़ देने पर भी सही क्रम मिलेगा (लेकिन ऐसा करने सेनहींजूल में ऊर्जा की वास्तविक मात्रा दें!)
इसके बजाय विचार करें कि मूविंग बॉक्स पृथ्वी के बजाय मंगल ग्रह पर था। मंगल ग्रह पर, गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण पृथ्वी पर लगभग एक तिहाई है। इसका मतलब है कि मूविंग बॉक्स में मंगल ग्रह पर 10 मीटर ऊंचे या 980 जे पर जीपीई की मात्रा लगभग एक तिहाई होगी।