Tutti gli studenti di fisica hanno del potenziale, cioè energia potenziale. Ma coloro che si prendono il tempo per determinare cosa significa in termini di fisica avrannopiù potenzialeinfluenzare il mondo che li circonda rispetto a quelli che non lo fanno. Per lo meno, saranno in grado di rispondere consapevolmente a un adulto fastidioso con una battuta meme su Internet: "Non sono pigro, sto traboccando di energia potenziale".
Che cos'è l'energia potenziale?
Il concetto di energia potenziale potrebbe sembrare inizialmente confuso. Ma in breve, puoi pensare all'energia potenziale come energia immagazzinata. Ha ilpotenzialetrasformarsi in movimento e far succedere qualcosa, come una batteria non ancora collegata o un piatto di spaghetti che un corridore sta per mangiare la sera prima della gara.
L'energia potenziale è una delle tre grandi categorie di energia che si trovano nell'universo. Gli altri due sono l'energia cinetica, che è l'energia del movimento, e l'energia termica, che è un tipo speciale di energia cinetica non riutilizzabile.
Senza energia potenziale, nessuna energia potrebbe essere risparmiata per un uso successivo. Fortunatamente, esiste molta energia potenziale e si converte costantemente avanti e indietro tra se stessa e l'energia cinetica, facendo accadere le cose.
Ad ogni trasformazione, una parte dell'energia potenziale e cinetica si trasforma in energia termica, nota anche come calore. Alla fine, tutta l'energia dell'universo sarà convertita in energia termica e sperimenterà la "morte termica", quando non esiste più energia potenziale. Ma fino a quel lontano futuro, l'energia potenziale manterrà aperte le possibilità di azione.
L'unità SI per l'energia potenziale, e qualsiasi for di energia per quella materia, è il joule, dove 1 joule = 1 (newton) (metro).
Tipi ed esempi di energia potenziale
Esistono molti tipi di energia potenziale. Tra queste forme di energia ci sono:
Energia potenziale meccanica:Conosciuto anche come energia potenziale gravitazionale, o GPE, si riferisce all'energia immagazzinata da unla posizione dell'oggetto rispetto a un campo gravitazionale, come quello vicino alla superficie terrestre.
Ad esempio, un libro seduto in cima a uno scaffale ha il potenziale di cadere a causa della forza di gravità. Più è alto rispetto al suolo – e quindi rispetto alla Terra, fonte del campo gravitazionale – più lunga è la caduta che ha il potenziale per attraversare. Più su questo più tardi.
Energia potenziale chimica:L'energia immagazzinata nei legami molecolari è energia chimica. Può essere rilasciato e trasformato in energia cinetica rompendo i legami.Quindi, più legami in una molecola, più energia potenziale contiene.
Ad esempio, quando si mangia cibo, il processo di digestione scompone le molecole di grassi, proteine, carboidrati o amminoacidi in modo che il corpo possa utilizzare quell'energia per muoversi. Poiché i grassi sono le molecole più lunghe con il maggior numero di legami tra gli atomi, immagazzinano più energia.
Allo stesso modo, i ceppi usati in un fuoco da campo contengono energia potenziale chimica che viene rilasciata quando vengono bruciati e i legami tra le molecole nel legno si rompono. Tutto ciò che richiede una reazione chimica per "andare" - incluso l'uso di batterie o la combustione di benzina in un'auto - contiene energia potenziale chimica.
Energia potenziale elastica:Questa forma di energia potenziale è l'energia immagazzinata nella deformazione di un oggetto dalla sua forma normale. Quando un oggetto viene allungato o compresso rispetto alla sua forma originale - diciamo un elastico tirato fuori o una molla tenuta in una stretta spirale - ha lapotenzialeper scattare o riprendersi quando viene rilasciato. Oppure, un morbido cuscino del divano viene premuto con l'impronta di qualcuno seduto su di esso in modo che, quando si alzano, l'impronta lentamente si alzi indietro fino a quando il divano sembra com'era prima che si sedessero.
Energia potenziale nucleare:Molta energia potenziale viene immagazzinata dalle forze nucleari che tengono insieme gli atomi. Ad esempio, la forte forza nucleare all'interno di un nucleo che tiene in posizione protoni e neutroni. Ecco perché è così difficile dividere gli atomi, un processo che avviene solo nei reattori nucleari, negli acceleratori di particelle, nei centri delle stelle o in altre situazioni ad alta energia.
Da non confondere con l'energia potenziale chimica, l'energia potenziale nucleare è immagazzinataall'interno di singoli atomi. Come afferma il loro nome, le bombe atomiche rappresentano uno degli usi più aggressivi dell'energia potenziale nucleare da parte dell'umanità.
Energia potenziale elettrica:Questa energia viene immagazzinata mantenendo le cariche elettriche in una particolare configurazione. Ad esempio, quando un maglione che ha molte cariche negative accumulate viene avvicinato a un oggetto positivo o neutro, ha lapotenzialecausare movimento attirando cariche positive e respingendo altre cariche negative.
Ogni singola particella carica tenuta in posizione in un campo elettrico ha anche energia potenziale elettrica. Questo esempio è analogo all'energia potenziale gravitazionale in quanto la posizione della carica in relazione al campo elettrico è ciò che determina la sua quantità di energia potenziale, proprio come la posizione di un oggetto rispetto al campo gravitazionale determina il suo GPE.
Formula di energia potenziale gravitazionale
L'energia potenziale gravitazionale, o GPE, è uno dei pochi tipi di energia per cui gli studenti di fisica delle scuole superiori in genere eseguono calcoli (altri sono l'energia cinetica lineare e rotazionale). Deriva dalla forza gravitazionale. Le variabili che influenzano la quantità di GPE di un oggetto sono la massam,l'accelerazione di gravitàge altezza andh.
GPE=mg
Dove GPE è misurato in joule (J), massa in chilogrammi (kg), accelerazione di gravità in metri al secondo al secondo (m/s2) e altezza in metri (m).
Nota che sulla Terra,gviene trattato come sempre uguale a 9,8 m/s2. In altri luoghi in cui la Terra non è la fonte locale di accelerazione gravitazionale, come su altri pianeti,gha altri valori.
La formula per GPE implica che più un oggetto è massiccio o più in alto è posizionato, più energia potenziale contiene. Questo a sua volta spiega perché un centesimo caduto dalla cima di un edificio andrà molto più veloce in fondo di uno caduto dalla tasca di una persona proprio sopra il marciapiede. (Questa è anche un'illustrazione della conservazione dell'energia: quando l'oggetto cade, la sua energia potenziale diminuisce, quindi la sua energia cinetica deve aumentare della stessa quantità affinché l'energia totale rimanga costante.)
Partire da un'altezza maggiore significa che il centesimo accelererà verso il basso su una distanza maggiore, con conseguente maggiore velocità entro la fine del viaggio. Oppure, per continuare a muoversi su una distanza maggiore, il centesimo sul tetto deve essere iniziato con più energia potenziale, che la formula GPE quantifica.
Esempio GPE
Classifica i seguenti oggetti dall'energia potenziale gravitazionale maggiore a quella minore:
- Una donna di 50 kg in cima a una scala di 3 metri
- Una scatola mobile da 30 kg in cima a un pianerottolo di 10 m
- Un bilanciere da 250 kg tenuto a 0,5 m sopra la testa di un sollevatore di potenza
Per confrontarli, calcola il GPE per ogni situazione utilizzando la formula GPE = mgh.
- GPE donna = (55 kg) (9,8 m/s2)(3 m) = 1,617 J
- Scatola mobile GPE = (30 kg) (9,8 m/s2)(10 m) = 2.940 J
- Bilanciere GPE = (250 kg) (9,8 m/s2)(0,5 m) = 1.470 J
Quindi, dal più al meno GPE l'ordine è: box mobile, donna, bilanciere.
Nota che, matematicamente, poiché tutti gli oggetti erano sulla Terra e avevano lo stesso valore perg, tralasciare quel numero risulterebbe comunque nell'ordine corretto (ma farlo sarebbenonfornire le quantità effettive di energia in joule!).
Considera invece che la scatola in movimento era su Marte invece che sulla Terra. Su Marte, l'accelerazione di gravità è circa un terzo di quella che è sulla Terra. Ciò significa che la scatola in movimento avrebbe circa un terzo della quantità di GPE su Marte a 10 m di altezza, o 980 J.