Svi studenti fizike imaju potencijal - potencijalnu energiju, tj. Ali oni koji odvoje vrijeme da utvrde što to znači u smislu fizike, imat ćeviše potencijalautjecati na svijet oko sebe od onih koji to ne čine. U najmanju ruku, moći će svjesno odgovoriti dosadnoj odrasloj osobi s internetskim meme quipom: "Nisam lijen, preplavljen sam potencijalnom energijom."
Što je potencijalna energija?
Koncept potencijalne energije u početku se može činiti zbunjujućim. Ali ukratko, potencijalnu energiju možete smatrati pohranjenom. Imapotencijalpretvoriti se u pokret i učiniti da se nešto dogodi, poput baterije koja još nije povezana ili tanjur špageta koje će trkač pojesti noć prije utrke.
Potencijalna energija jedna je od tri široke kategorije energije koje se nalaze u svemiru. Ostale dvije su kinetička energija, koja je energija kretanja, i toplinska energija, koja je posebna vrsta kinetičke energije koja se ne može ponovno upotrijebiti.
Bez potencijalne energije ne bi se mogla uštedjeti energija za kasniju upotrebu. Srećom, postoji puno potencijalne energije koja se neprestano pretvara naprijed-nazad između sebe i kinetičke energije, čineći stvari stvarima.
Svakom transformacijom neka potencijalna i kinetička energija pretvara se u toplinsku energiju, poznatu i kao toplina. Na kraju će se sva energija svemira pretvoriti u toplinsku energiju i doživjet će "toplinsku smrt", kada više ne bude bilo potencijalne energije. Ali do tog dalekog budućeg vremena, potencijalna energija će držati mogućnosti za akciju otvorenima.
Jedinica SI za potencijalnu energiju i bilo koja energija za to je džul, gdje je 1 džul = 1 (njutn) (metar).
Vrste i primjeri potencijalne energije
Postoje mnoge vrste potencijalne energije. Među ove oblike energije ubrajamo:
Mehanička potencijalna energija:Također poznato kao gravitacijska potencijalna energija ili GPE, ovo se odnosi na energiju koju pohranjujepoložaj objekta u odnosu na gravitacijsko polje, poput onog u blizini Zemljine površine.
Na primjer, knjiga koja sjedi na vrhu police može pasti dolje zbog sile gravitacije. Što je veći u odnosu na zemlju - a time i u odnosu na Zemlju, izvor gravitacijskog polja - to duži pad može preći. O tome više kasnije.
Kemijska potencijalna energija:Energija pohranjena u molekularnim vezama je kemijska energija. Puštanjem veza može se osloboditi i transformirati u kinetičku energiju.Dakle, što više veza u molekuli sadrži više potencijalne energije.
Na primjer, kada jedete hranu, proces probave razgrađuje molekule masti, bjelančevina, ugljikohidrata ili aminokiselina, tako da tijelo tu energiju može koristiti za kretanje. Budući da su masti najduža od onih molekula s najviše veza između atoma, one pohranjuju najviše energije.
Slično tome, trupci koji se koriste u logorskoj vatri sadrže kemijsku potencijalnu energiju koja se oslobađa kada se sagorijevaju i prekinu veze između molekula u drvu. Sve za što je potrebna kemijska reakcija, uključujući upotrebu baterija ili sagorijevanje benzina u automobilu, sadrži potencijalnu kemijsku energiju.
Elastična potencijalna energija:Ovaj oblik potencijalne energije je energija pohranjena u deformaciji predmeta od njegovog normalnog oblika. Kada se objekt razvuče ili stisne u izvornom obliku - recimo izvučena gumica ili opruga koja se drži u čvrstoj zavojnici - on imapotencijalda opruži ili se odbije kad se pusti. Ili, na mekani jastuk kauča pritisne se otisak nekoga tko sjedi na njemu, tako da se, kad stoje, otisak polako podiže dok kauč ne izgleda kao prije nego što su sjeli.
Nuklearna potencijalna energija:Nuklearne sile koje atome drže zajedno, pohranjuju puno potencijalne energije. Na primjer, jaka nuklearna sila unutar jezgre koja drži protone i neutrone na mjestu. Zbog toga je toliko teško podijeliti atome, proces koji se događa samo u nuklearnim reaktorima, akceleratorima čestica, središtima zvijezda ili drugim situacijama visoke energije.
Da se ne miješa s kemijskom potencijalnom energijom, nuklearna potencijalna energija se pohranjujeunutar pojedinih atoma. Kao što im i ime govori, atomske bombe predstavljaju jednu od najagresivnijih primjena nuklearne potencijalne energije čovječanstva.
Električna potencijalna energija:Ova se energija pohranjuje zadržavanjem električnih naboja u određenoj konfiguraciji. Na primjer, kada se džemper s puno izgrađenih negativnih naboja približi pozitivnom ili neutralnom predmetu, on imapotencijalizazvati gibanje privlačenjem pozitivnih naboja i odbijanjem ostalih negativnih naboja.
Svaka pojedinačno nabijena čestica koja se drži u električnom polju također ima električnu potencijalnu energiju. Ovaj je primjer analogan gravitacijskoj potencijalnoj energiji u tome što je položaj naboja u odnosu na električno polje određuje njegovu količinu potencijalne energije, baš kao što položaj objekta u odnosu na gravitacijsko polje određuje njegov GPE.
Formula potencijalne energije gravitacije
Gravitacijska potencijalna energija, ili GPE, jedna je od rijetkih vrsta energije za koju srednjoškolci fizike obično izvode proračune (ostale su linearna i rotacijska kinetička energija). Rezultat je gravitacijske sile. Varijable koje utječu na GPE objekt ima masum,ubrzanje uslijed gravitacijeg, i visinah.
GPE = mgh
Gdje se GPE mjeri u džulima (J), masa u kilogramima (kg), ubrzanje zbog gravitacije u metrima u sekundi u sekundi (m / s2) i visine u metrima (m).
Imajte na umu da na Zemlji,gtretira se kao uvijek jednak 9,8 m / s2. Na drugim mjestima gdje Zemlja nije lokalni izvor gravitacijskog ubrzanja, kao na drugim planetima,gima druge vrijednosti.
Formula za GPE implicira da što je objekt masivniji ili što je viši, to sadrži više potencijalne energije. To zauzvrat objašnjava zašto će peni ispušten s vrha zgrade ići puno brže na dnu nego onaj koji je pao iz džepa osobe točno iznad pločnika. (Ovo je također ilustracija očuvanja energije: kako objekt pada, njegova potencijalna energija smanjuje, pa se njegova kinetička energija mora povećati za istu količinu kako bi ukupna energija ostala konstantno.)
Početak s veće visine znači da će se novčić ubrzati prema dolje na većoj udaljenosti, što će rezultirati bržom brzinom do kraja putovanja. Ili, da biste se nastavili kretati na većoj udaljenosti, peni na krovu mora započeti s više potencijalne energije, što GPE formula kvantificira.
Primjer GPE-a
Poredaj sljedeće objekte od najveće do najmanje gravitacijske potencijalne energije:
- Žena od 50 kg na vrhu ljestvice od 3 m
- Kutija za kretanje od 30 kg na vrhu 10 m odmorišta
- Šipka od 250 kg držana je 0,5 m iznad glave dizača
Da biste ih usporedili, izračunajte GPE za svaku situaciju koristeći formulu GPE = mgh.
- Žena GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1.617 J
- Kutija za pomicanje GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- GPE mrene uteg = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1,470 J
Dakle, od većine do najmanje GPE-a red je: kutija za pomicanje, žena, mrena.
Imajte na umu da, matematički, budući da su svi objekti bili na Zemlji i imali su jednaku vrijednost zag, izostavljanje tog broja i dalje bi rezultiralo ispravnim redoslijedom (ali to bi učinilonedajte stvarne količine energije u džulima!).
Umjesto toga uzmite u obzir da se pokretna kutija nalazila na Marsu, a ne na Zemlji. Na Marsu je ubrzanje zbog gravitacije otprilike jedna trećina od onog na Zemlji. To znači da bi pokretna kutija imala oko jedne trećine količine GPE-a na Marsu na visini od 10 m, odnosno 980 J.