Minden fizikus hallgató rendelkezik potenciális - potenciális energiával, vagyis. De azok, akik időt szánnak arra, hogy meghatározzák, mit jelent ez a fizika szempontjábóltöbb potenciálbefolyásolni a körülöttük lévő világot, mint azok, akik nem. Legalább képesek lesznek tudatosan válaszolni egy internetes mémtanúval egy zaklatott felnőttre: "Nem vagyok lusta, túlcsordult a potenciális energia."
Mi a potenciális energia?
A potenciális energia fogalma eleinte zavarosnak tűnhet. Röviden: a potenciális energiát tárolt energiának tekintheti. Megvan azlehetségeshogy mozgássá alakuljon át, és valami történjen, például egy még nem csatlakoztatott elem vagy egy tányér spagetti, amelyet egy futó megeszik a verseny előtti este.
A potenciális energia az univerzumban található energia három tág kategóriájának egyike. A másik kettő a kinetikus energia, amely a mozgás energiája, és a hőenergia, amely a kinetikus energia speciális, újrafelhasználhatatlan típusa.
Potenciális energia nélkül nem lehet energiát megtakarítani későbbi felhasználásra. Szerencsére rengeteg potenciális energia létezik, és ez folyamatosan oda-vissza átalakul saját maga és a kinetikus energia között, hogy a dolgok megtörténjenek.
Minden átalakulás során bizonyos potenciális és kinetikus energia hőenergiává alakul át, más néven hő. Végül az univerzum összes energiája átalakul hőenergiává, és "hőhalált" fog tapasztalni, amikor nincs több potenciális energia. De addig a távoli jövőig a potenciális energia nyitva tartja a cselekvés lehetőségeit.
A potenciális energia SI-egysége, és az esetleges energia-mennyiség a joule, ahol 1 joule = 1 (newton) (méter).
A potenciális energia típusai és példái
Sokféle potenciális energia létezik. Az energia ezen formái a következők:
Mechanikai potenciálenergia:Gravitációs potenciális energiának vagy GPE-nek is nevezik, ez egy an által tárolt energiára utalaz objektum helyzete egy gravitációs mezőhöz képest, például a Föld felszínéhez közeli helyzetben.
Például egy polc tetején ülő könyv a gravitációs erő miatt leeshet. Minél magasabb a talajhoz viszonyítva - és ezáltal a Földhöz, a gravitációs mező forrásához viszonyítva -, annál hosszabb esés lehetséges. Erről később.
Kémiai potenciális energia:A molekuláris kötésekben tárolt energia kémiai energia. A kötések megszakításával felszabadítható és kinetikus energiává alakítható.Ezért minél több kötés van egy molekulában, annál több potenciális energiát tartalmaz.
Például étkezés közben az emésztés folyamata lebontja a zsír-, fehérje-, szénhidrát- vagy aminosavmolekulákat, hogy a test felhasználhassa ezt az energiát a mozgáshoz. Mivel a zsírok a leghosszabbak azok közül a molekulák közül, amelyekben a legtöbb kötés van az atomok között, ezek tárolják a legtöbb energiát.
Hasonlóképpen, a tábortűznél használt rönkök kémiai potenciális energiát tartalmaznak, amely égéskor felszabadul, és a fában lévő molekulák közötti kötések megszakadnak. Minden, ami kémiai reakciót igényel a működéséhez - beleértve az akkumulátorok használatát vagy a benzin égését egy autóban - kémiai potenciált tartalmaz.
Rugalmas potenciális energia:A potenciális energia ezen formája az az energia, amelyet egy tárgy deformációjában tárolnak a normális alakjától. Amikor egy tárgy kinyújtva vagy összenyomva az eredeti alakjától - mondjuk, kihúzott gumiszalag vagy szoros tekercsben tartott rugó - alehetségesrugózni vagy visszapattanni, amikor elengedik. Vagy egy giccses kanapépárnát nyomnak rá, hogy valaki rajta ül, így állva a lenyomat lassan visszafelé emelkedik, amíg a kanapé nem úgy néz ki, mint előtte ültek.
Nukleáris energia:Nagyon sok potenciális energiát tárolnak az atomokat összetartó atomerők. Például a magban lévő erős atomerő, amely a protonokat és a neutronokat a helyén tartja. Ezért olyan nehéz az atomok megosztása, ez a folyamat csak atomreaktorokban, részecskegyorsítókban, csillagok központjában vagy más nagy energiájú helyzetekben fordul elő.
Nem szabad összetéveszteni a kémiai potenciális energiával, a nukleáris energiát tároljákaz egyes atomok belsejében. Nevük szerint az atombombák az emberiség egyik legagresszívabb felhasználását jelentik a nukleáris potenciális energiában.
Elektromos potenciálenergia:Ezt az energiát úgy tárolják, hogy az elektromos töltéseket egy adott konfigurációban tartják. Például, ha egy olyan pulóvert, amely sok beépített negatív töltéssel rendelkezik, pozitív vagy semleges tárgy közelébe hozunk, akkorlehetségesmozgást okozni pozitív töltések vonzásával és egyéb negatív töltések taszításával.
Az elektromos mezőben tartott egyetlen töltött részecskének elektromos potenciálja is van. Ez a példa analóg a gravitációs potenciális energiával abban, hogy a töltés elektromos térhez viszonyított helyzete milyen meghatározza a potenciális energia mennyiségét, ugyanúgy, mint egy objektum helyzete a gravitációs mezőhöz viszonyítva, meghatározza GPE-jét.
Gravitációs potenciális energia képlet
A gravitációs potenciális energia, vagyis a GPE, azon kevés energiafajták egyike, amelyekre a középiskolás fizikus hallgatók jellemzően számításokat végeznek (mások lineáris és rotációs kinetikus energia). A gravitációs erőből adódik. Azok a változók, amelyek befolyásolják egy objektum GPE nagyságát, tömegesekm,a gravitáció miatti gyorsulásg, és a magasságh.
GPE = mgh
Ahol a GPE-t joule-ban (J) mérik, a tömeg kilogrammban (kg), a gravitáció miatti gyorsulás méterben másodpercenként (m / s)2) és a magasság méterben (m).
Ne feledje, hogy a Földöngmindig 9,8 m / s-nak felel meg2. Más helyeken, ahol a Föld nem a gravitációs gyorsulás helyi forrása, például más bolygókon,gvan más értéke.
A GPE képlete azt sugallja, hogy minél masszívabb egy tárgy vagy minél magasabbra helyezzük, annál több potenciális energiát tartalmaz. Ez pedig megmagyarázza, hogy egy épület tetejéről leesett fillér miért fog sokkal gyorsabban haladni alul, mint az ember zsebéből a járda felett. (Ez is szemlélteti az energia megmaradását: amint a tárgy leesik, annak potenciális energiája csökken, ezért annak mozgási energiájának ugyanannyival kell növekednie, hogy a teljes energia megmaradhasson állandó.)
Magasabb magasságból indulva egy fillér hosszabb távon lefelé gyorsul, ami az utazás végére gyorsabb sebességet eredményez. Vagy ahhoz, hogy hosszabb távon mozoghasson, a tetőn lévő fillérnek nagyobb potenciális energiával kell kezdődnie, amelyet a GPE képlete számszerűsít.
GPE példa
A következő objektumokat rangsorolja a legkevésbé a gravitációs potenciálra:
- 50 kg-os nő a 3 m-es létra tetején
- 30 kg-os mozgó doboz 10 m-es leszállás tetején
- Egy 250 kg-os súlyzó 0,5 m-rel tartott az erőemelő feje felett
Ezek összehasonlításához a GPE = mgh képlet segítségével számítsa ki az egyes helyzetek GPE-jét.
- Nő GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1617 J
- Mozgó doboz GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- Súlyzó GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1 470 J
Tehát a GPE-től a legkevésbé a sorrend: mozgó doboz, nő, súlyzó.
Megjegyezzük, hogy matematikailag, mivel az összes objektum a Földön volt, és az értéke ugyanaz voltg, ha ezt a számot elhagyja, akkor is a helyes sorrendet eredményezzük (de ha így tennénknemadja meg a tényleges energiamennyiségeket joule-ban!).
Fontolja meg inkább, hogy a mozgó doboz a Marson volt, a Föld helyett. A Marson a gravitáció miatti gyorsulás nagyjából egyharmada, mint a Földön. Ez azt jelenti, hogy a mozgó doboz körülbelül egyharmada lenne a GPE mennyiségének a Marson 10 m magasan, vagyis 980 J.