לכל התלמידים לפיזיקה פוטנציאל - אנרגיה פוטנציאלית, כלומר. אבל לאלה שלוקחים את הזמן לקבוע מה זה אומר מבחינת הפיזיקהיותר פוטנציאללהשפיע על העולם סביבם מאשר על אלה שלא. לכל הפחות, הם יוכלו להשיב ביודעין למבוגר מציק עם כיף של מם אינטרנטי: "אני לא עצלן, אני שופע אנרגיה פוטנציאלית."
מהי אנרגיה פוטנציאלית?
הרעיון של אנרגיה פוטנציאלית עשוי להיראות מבלבל בהתחלה. אבל בקיצור, אתה יכול לחשוב על אנרגיה פוטנציאלית כאנרגיה מאוחסנת. יש לו אתפוטנציאללהפוך לתנועה ולגרום למשהו לקרות, כמו סוללה שעדיין לא מחוברת או צלחת ספגטי שרץ עומד לאכול בלילה שלפני המירוץ.
אנרגיה פוטנציאלית היא אחת משלוש קטגוריות רחבות של אנרגיה שנמצאת ביקום. שני האחרים הם אנרגיה קינטית, שהיא אנרגיית התנועה, ואנרגיה תרמית, שהיא סוג מיוחד של אנרגיה קינטית שאינה ניתנת לשימוש חוזר.
ללא אנרגיה פוטנציאלית, לא ניתן היה לחסוך באנרגיה לשימוש מאוחר יותר. למרבה המזל, קיימת שפע של אנרגיה פוטנציאלית והיא ממירה כל הזמן הלוך ושוב בינה לבין אנרגיה קינטית, גורמת לדברים לקרות.
עם כל שינוי, אנרגיה פוטנציאלית וקינטית כלשהי הופכת לאנרגיה תרמית, המכונה גם חום. בסופו של דבר, כל אנרגיית היקום תומר לאנרגיה תרמית, והיא תחווה "מוות חום", כאשר אין עוד אנרגיה פוטנציאלית. אבל עד לאותו זמן עתידי רחוק, אנרגיה פוטנציאלית תשמור על אפשרויות הפעולה.
יחידת ה- SI לאנרגיה פוטנציאלית, וכל אנרגיה לצורך העניין, היא הג'אול, שם 1 ג'ול = 1 (ניוטון) (מטר).
סוגים ודוגמאות לאנרגיה פוטנציאלית
ישנם סוגים רבים של אנרגיה פוטנציאלית. בין צורות האנרגיה הללו ניתן למנות:
אנרגיה פוטנציאלית מכנית:ידוע גם בשם אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, או GPE, הכוונה היא לאנרגיה המאוחסנת על ידימיקום האובייקט ביחס לשדה כוח משיכה, כמו למשל בסמוך לפני כדור הארץ.
לדוגמא, לספר היושב בראש מדף יש פוטנציאל ליפול מטה בגלל כוח הכבידה. ככל שהוא גבוה יותר ביחס לקרקע - ובכך ביחס לכדור הארץ, מקור שדה הכבידה - כך נפילה יש לו פוטנציאל לעבור. עוד על כך בהמשך.
אנרגיה פוטנציאלית כימית:אנרגיה המאוחסנת בקשרים מולקולריים היא אנרגיה כימית. ניתן לשחרר אותו ולהפוך אותו לאנרגיה קינטית על ידי שבירת קשרים.מכאן שככל שקושרים יותר במולקולה, כך היא מכילה יותר אנרגיה פוטנציאלית.
לדוגמא, כאשר אוכלים אוכל, תהליך העיכול מפרק מולקולות של שומנים, חלבונים, פחמימות או חומצות אמינו, כך שהגוף יכול להשתמש באנרגיה הזו כדי לנוע. מכיוון ששומנים הם הארוכים מבין המולקולות עם הכי הרבה קשרים בין אטומים, הם אוגרים הכי הרבה אנרגיה.
באופן דומה, בולי העץ המשמשים למדורה מכילים אנרגיה פוטנציאלית כימית המשתחררת כאשר הם נשרפים והקשרים בין מולקולות בעץ נשברים. כל מה שדורש תגובה כימית כדי "ללכת" - כולל שימוש בסוללות או שריפת בנזין ברכב - מכיל אנרגיה פוטנציאלית כימית.
אנרגיה אלסטית פוטנציאלית:צורה זו של אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה המאוחסנת בעיוות של אובייקט מצורתו הרגילה. כאשר אובייקט נמתח או נדחס מצורתו המקורית - נניח רצועת גומי שנשלפה או קפיץ המוחזק בסליל הדוק - יש לו אתפוטנציאללקפיץ או להקפיץ בחזרה כששוחרר. לחלופין, כרית ספה קשקשת נלחצת עם חותם של מישהו שיושב עליה כך שכאשר הם עומדים, ההטבעה עולה לאט לאט עד שהספה נראית כמו שנראתה לפני שישבו.
אנרגיה פוטנציאלית גרעינית:אנרגיה פוטנציאלית רבה מאוחסנת על ידי כוחות הגרעין המחזיקים אטומים זה לזה. למשל, הכוח הגרעיני החזק בתוך גרעין המחזיק את הפרוטונים והנויטרונים במקום. זו הסיבה שקשה כל כך לפצל אטומים, תהליך שקורה רק בכורים גרעיניים, במאיצי חלקיקים, במרכזי כוכבים או במצבים אחרים של אנרגיה גבוהה.
לא להתבלבל עם אנרגיה פוטנציאלית כימית, אנרגיה פוטנציאלית גרעינית מאוחסנתבתוך אטומים בודדים. כשמם אומר, פצצות אטום מייצגות את אחד השימושים האגרסיביים ביותר של האנושות באנרגיה פוטנציאלית גרעינית.
אנרגיה פוטנציאלית חשמלית:אנרגיה זו מאוחסנת על ידי החזקת מטענים חשמליים בתצורה מסוימת. למשל, כאשר סוודר שיש בו הרבה מטענים שליליים מובנים מתקרב לחפץ חיובי או ניטרלי, יש לו אתפוטנציאללגרום לתנועה על ידי משיכת מטענים חיוביים והדחת מטענים שליליים אחרים.
לכל חלקיק טעון יחיד המוחזק בשדה חשמלי יש גם אנרגיה פוטנציאלית חשמלית. דוגמה זו מקבילה לאנרגיה פוטנציאלית של כוח המשיכה בכך שמיקום המטען ביחס לשדה החשמלי הוא מה קובע את כמות האנרגיה הפוטנציאלית שלו, בדיוק כמו שמיקום האובייקט ביחס לשדה הכבידה קובע את ה- GPE שלו.
נוסחת אנרגיה פוטנציאלית הכבידה
אנרגיית פוטנציאל הכבידה, או GPE, היא אחד מסוגי האנרגיה הבודדים שעבורם בדרך כלל מבצעים תלמידי פיזיקה בתיכון חישובים (אחרים הם אנרגיה קינטית לינארית וסיבובית). זה נובע מכוח הכבידה. המשתנים המשפיעים על כמות ה- GPE שיש לאובייקט הם המסהM,התאוצה עקב כוח המשיכהז, וגובהח.
GPE = מ"ג
כאשר GPE נמדד בג'אול (J), מסה בק"ג (ק"ג), תאוצה עקב כוח המשיכה במטרים לשנייה לשנייה (m / s2) וגובה במטרים (מ ').
שים לב שכדור הארץ,זמטופל כשווה ל -9.8 מ 'לשנייה2. במקומות אחרים בהם כדור הארץ אינו המקור להאצת הכבידה המקומית, כמו למשל בכוכבי לכת אחרים,זיש ערכים אחרים.
הנוסחה ל- GPE מרמזת שככל שאובייקט מסיבי יותר או שהוא ממוקם גבוה יותר, כך הוא מכיל יותר אנרגיה פוטנציאלית. זה בתורו מסביר מדוע אגורה שנשרה מראש הבניין תעבור הרבה יותר מהר בתחתית מאשר אחת שנשרה מכיסו של אדם ממש מעל המדרכה. (זהו גם המחשה לשימור האנרגיה: ככל שהאובייקט נופל, האנרגיה הפוטנציאלית שלו פוחתת, ולכן האנרגיה הקינטית שלה חייבת לעלות באותה כמות על מנת שהאנרגיה הכוללת תישאר קָבוּעַ.)
החל מגובה גבוה יותר פירושו שהפרוטה תואץ כלפי מטה על פני מרחק ארוך יותר, ותביא למהירות מהירה יותר בסוף הטיול. לחלופין, כדי להמשיך לנוע על פני מרחק רב יותר, האגורה על הגג ודאי התחילה באנרגיה פוטנציאלית רבה יותר, שנוסחת ה- GPE מכמתה.
דוגמה ל- GPE
דרג את האובייקטים הבאים מהאנרגיה הפוטנציאלית הכבידה ביותר לפחות
- אישה במשקל 50 ק"ג בראש סולם 3 מ '
- תיבה נעה של 30 ק"ג בראש נחיתה של 10 מ '
- משקולת של 250 ק"ג שהונחה 0.5 מ 'מעל ראשו של מרים כוח
כדי להשוות בין אלה, חישב GPE עבור כל סיטואציה בעזרת הנוסחה GPE = mgh.
- אישה GPE = (55 ק"ג) (9.8 מ / ש2) (3 מ ') = 1,617 J
- תיבת נע GPE = (30 ק"ג) (9.8 מ / ש2) (10 מ ') = 2,940 J
- משקולת GPE = (250 ק"ג) (9.8 מ / ש2) (0.5 מ ') = 1,470 J
אז, מרוב הפחות GPE הסדר הוא: תיבה נעה, אישה, משקולת.
שים לב, באופן מתמטי, מכיוון שכל האובייקטים היו על כדור הארץ והיה להם אותו ערך עבורזהשארת מספר זה עדיין תביא לסדר הנכון (אך פעולה זו תעשה זאתלֹאתן את כמויות האנרגיה בפועל בג'אול!).
קחו בחשבון במקום זאת כי התיבה הנעה הייתה על מאדים במקום על כדור הארץ. במאדים, התאוצה בגלל כוח המשיכה היא בערך שליש ממה שהיא על כדור הארץ. כלומר בתיבה הנעית תהיה כשליש מכמות ה- GPE במאדים בגובה 10 מ ', או 980 ג'י.