L'energia potenziale sembra essere semplicemente energia che non si è attualizzata, e pensarla in questo modo può farti credere che non sia reale. Mettiti sotto una cassaforte sospesa a 30 piedi da terra, però, e la tua opinione potrebbe cambiare. La cassaforte ha un'energia potenziale dovuta alla forza di gravità, e se qualcuno dovesse tagliare la corda che la tiene, quell'energia girerebbe in energia cinetica, e nel momento in cui la cassaforte ti raggiungesse, avrebbe abbastanza energia "attualizzata" per darti una scissione mal di testa.
Una migliore definizione di energia potenziale è energia immagazzinata e ci vuole "lavoro" per immagazzinare l'energia. La fisica ha una definizione specifica di lavoro: il lavoro viene svolto quando una forza sposta un oggetto su una distanza. Il lavoro è legato all'energia. È misurato in joule nel sistema SI, che sono anche unità di energia potenziale e cinetica. Per convertire il lavoro in energia potenziale, devi agire contro un particolare tipo di forza, e ce ne sono diverse. La forza potrebbe essere la gravitazione, una molla o un campo elettrico. Le caratteristiche della forza determinano la quantità di energia potenziale che accumuli facendo un lavoro contro di essa.
Formula di energia potenziale per il campo gravitazionale terrestre
Il modo in cui funziona la gravitazione è che due corpi si attraggono, ma tutto sulla terra è così piccolo rispetto al pianeta stesso che solo il campo gravitazionale terrestre è significativo. Se sollevi un corpo (m) al di sopra del suolo, quel corpo subisce una forza che tende a farlo accelerare verso il suolo. La grandezza della forza (F), dalla 2a legge di Newton, è data da F = mg, dove g è l'accelerazione di gravità, che è una costante ovunque sulla Terra.
Supponi di sollevare il corpo a un'altezza h. La quantità di lavoro che fai per raggiungere questo obiettivo è forza × distanza, o mgh. Quel lavoro viene immagazzinato come energia potenziale, quindi l'equazione dell'energia potenziale per il campo gravitazionale terrestre è semplicemente:
Energia potenziale gravitazionale = mgh
Energia potenziale elastica
Molle, elastici e altri materiali elastici possono immagazzinare energia, che è essenzialmente quello che fai quando tiri indietro un arco appena prima di scoccare una freccia. Quando si allunga o si comprime una molla, essa esercita una forza opposta che agisce per riportare la molla alla sua posizione posizione di equilibrio L'entità della forza è proporzionale alla distanza che si allunga o si comprime esso (X). La costante di proporzionalità (K) è caratteristico della primavera. Secondo la legge di Hooke, F = −kx. Il segno meno indica la forza di richiamo della molla, che agisce in senso opposto a quello che la tende o la comprime.
Per calcolare l'energia potenziale immagazzinata in un materiale elastico, devi riconoscere che la forza cresce come X aumenta. Per una distanza infinitesimale, tuttavia, F è costante. Sommando le forze di tutte le distanze infinitesimali tra 0 (equilibrio) e l'estensione o compressione finale X, puoi calcolare il lavoro svolto e l'energia immagazzinata. Questo processo di somma è una tecnica matematica chiamata integrazione. Produce la formula dell'energia potenziale per un materiale elastico:
Energia potenziale = kx2/2
dove X è l'estensione e K è la costante di primavera.
Potenziale elettrico o tensione
Considera di spostare una carica positiva q all'interno di un campo elettrico generato da una carica positiva maggiore Q. A causa delle forze repulsive elettriche, ci vuole lavoro per avvicinare la carica più piccola a quella più grande. Secondo la legge di Coulomb, la forza tra le cariche in qualsiasi punto è kqQ/r2, dove r è la distanza tra loro. In questo caso, K è la costante di Coulomb, non la costante della molla. I fisici li denotano entrambi con K. Si calcola l'energia potenziale considerando il lavoro necessario per muoversi q da infinitamente lontano da Q alla sua distanza r. Questo dà l'equazione dell'energia potenziale elettrica:
Energia potenziale elettrica = kqQ/r
Il potenziale elettrico è leggermente diverso. È la quantità di energia immagazzinata per unità di carica, ed è nota come tensione, misurata in volt (joule/coulomb). L'equazione per il potenziale elettrico o la tensione generata dalla carica Q ad una distanza r è:
Potenziale elettrico = kQ/r