Kako izračunati potencijalnu energiju

Potencijalna energija zvuči kao da se jednostavno radi o energiji koja se nije aktualizirala, a takvo razmišljanje može vas uspavati i povjerovati da nije stvarna. Ipak stojte ispod sigurnog ovješenog 30 metara iznad tla i vaše će se mišljenje možda promijeniti. Sef ima potencijalnu energiju zbog sile gravitacije, a ako bi netko presjekao uže koje ga drži, ta bi se energija okrenula u kinetičku energiju i dok bi sef stigao do vas, imao bi dovoljno "aktualizirane" energije da vam podijeli glavobolja.

Bolja definicija potencijalne energije je pohranjena energija, a potreban je "rad" za spremanje energije. Fizika ima specifičnu definiciju rada - posao se obavlja kada sila pomiče predmet na daljinu. Posao je povezan s energijom. Mjeri se u džulima u SI sustavu, koji su također jedinice potencijalne i kinetičke energije. Da biste rad pretvorili u potencijalnu energiju, morate djelovati protiv određene vrste sile, a ima ih nekoliko. Sila može biti gravitacija, opruga ili električno polje. Karakteristike sile određuju količinu potencijalne energije koju pohranjujete radeći protiv nje.

Način djelovanja gravitacije je da se dva tijela međusobno privlače, ali sve je na zemlji toliko malo u usporedbi sa samim planetom da je značajno samo gravitacijsko polje Zemlje. Ako podignete tijelo (m) iznad tla, to tijelo doživljava silu koja ga nastoji ubrzati prema tlu. Veličina sile (F), iz Newtonovog 2. zakona, daje F = mg, gdje g je ubrzanje zbog gravitacije, koje je konstanta svugdje na Zemlji.

Pretpostavimo da tijelo podignete u visinu h. Količina posla koji radite da biste to postigli je sila × udaljenost ili mgh. Taj se rad pohranjuje kao potencijalna energija, pa je jednadžba potencijalne energije za gravitacijsko polje Zemlje jednostavno:

Gravitacijska potencijalna energija = mgh

Opruge, gumice i drugi elastični materijali mogu pohraniti energiju, što je u osnovi ono što radite kada povučete luk unatrag prije ispucavanja strelice. Kada rastegnete ili stisnete oprugu, ona djeluje suprotno od sile koja djeluje na vraćanje opruge položaj ravnoteže Veličina sile proporcionalna je udaljenosti koju protežete ili komprimirate to (x). Konstanta proporcionalnosti (k) karakteristična je za izvor. Prema Hookeovom zakonu, F = −kx. Znak minus označava obnavljajuću silu opruge koja djeluje u suprotnom smjeru od one koja je isteže ili sabija.

Da biste izračunali potencijalnu energiju pohranjenu u elastičnom materijalu, morate prepoznati da sila postaje veća kao x povećava. Za beskonačno malu udaljenost, međutim, F je konstanta. Zbrajanjem sila svih beskonačno malih udaljenosti između 0 (ravnoteža) i konačnog produženja ili kompresije x, možete izračunati obavljeni posao i pohranjenu energiju. Ovaj postupak zbrajanja matematička je tehnika koja se naziva integracija. Proizvodi formulu potencijalne energije za elastični materijal:

Potencijalna energija = kx²/2

gdje x je produžetak i k je proljetna konstanta.

Razmislite o pomicanju pozitivnog naboja q unutar električnog polja generiranog većim pozitivnim nabojem P. Zbog električnih odbojnih sila potreban je posao da se manji naboj približi većem. Prema Coulombovom zakonu sila između naboja u bilo kojem trenutku je kqQ/r², gdje r je udaljenost između njih. U ovom slučaju, k je Coulombova konstanta, a ne proljetna konstanta. Oboje ih fizičari označavaju s k. Potencijalnu energiju računate uzimajući u obzir rad potreban za kretanje q od beskrajno daleko od P na svoju udaljenost r. To daje jednadžbu električne potencijalne energije:

Električna potencijalna energija = kqQ/r

Električni potencijal je malo drugačiji. To je količina energije pohranjene po jedinici naboja, a poznata je kao napon, mjeri se u voltima (džulima / kulonima). Jednadžba za električni potencijal ili napon generiran nabojem P na udaljenosti r je:

Električni potencijal = kQ/r