אנרגיה פוטנציאלית נשמעת כאילו זו פשוט אנרגיה שלא מומשה, וחשיבה על זה ככה יכולה להרגיע אותך להאמין שהיא לא אמיתית. אולם עמדו תחת כספת תלויה בגובה 30 מטר מעל פני האדמה, ודעתכם עשויה להשתנות. לכספת יש אנרגיה פוטנציאלית בגלל כוח הכבידה, ואם מישהו היה חותך את החבל שאוחז בו, האנרגיה הזו הייתה מסתובבת לאנרגיה קינטית, וכשהכספת תגיע אליך, תהיה לה מספיק אנרגיה "ממומשת" כדי לתת לך פיצול כְּאֵב רֹאשׁ.
הגדרת אנרגיה פוטנציאלית טובה יותר היא אנרגיה מאוחסנת, ונדרש "עבודה" כדי לאגור את האנרגיה. לפיזיקה יש הגדרה ספציפית של עבודה - עבודה נעשית כאשר כוח מעביר אובייקט על פני מרחק. עבודה קשורה לאנרגיה. הוא נמדד בג'אול במערכת SI. שהם גם יחידות אנרגיה פוטנציאלית וקינטית. כדי להמיר עבודה לאנרגיה פוטנציאלית, עליך לפעול נגד סוג מסוים של כוח, ויש כאלה. הכוח יכול להיות גרביטציה, קפיץ או שדה חשמלי. מאפייני הכוח קובעים את כמות האנרגיה הפוטנציאלית שאתם אוגרים על ידי ביצוע עבודות נגדה.
נוסחת אנרגיה פוטנציאלית לשדה הכבידה של כדור הארץ
הדרך שבה הגרביטציה פועלת היא ששני גופים מושכים זה את זה, אך כל דבר עלי אדמות כל כך קטן בהשוואה לכוכב הלכת עצמו שרק שדה הכבידה של כדור הארץ הוא משמעותי. אם אתה מרים גוף (
M) מעל הקרקע, אותו גוף חווה כוח שנוטה לגרום לו להאיץ לעבר הקרקע. גודל הכוח (F), מהחוק השני של ניוטון, ניתן על ידי F = מ"ג, איפה ז היא התאוצה הנובעת מכוח המשיכה, שהיא קבועה בכל מקום על פני כדור הארץ.נניח שאתה מרים את הגוף לגובה ח. כמות העבודה שאתה עושה בכדי להשיג זאת היא כוח × מרחק, או mgh. עבודה זו מאוחסנת כאנרגיה פוטנציאלית, ולכן משוואת האנרגיה הפוטנציאלית לשדה הכבידה של כדור הארץ היא בפשטות:
אנרגיה פוטנציאלית הכבידה = mgh
אנרגיה אלסטית פוטנציאלית
קפיצים, גומיות וחומרים אלסטיים אחרים יכולים לאחסן אנרגיה, וזה בעצם מה שאתה עושה כשאתה מושך קשת לאחור ממש לפני שאתה חץ. כאשר אתה מותח או דוחס קפיץ, הוא מפעיל כוח הפוך הפועל להחזרת הקפיץ שלו מיקום שיווי משקל גודל הכוח פרופורציונאלי למרחק שאתה מותח או דוחס זה (איקס). המידתיות קבועה (k) אופייני למעיין. על פי חוק הוק, F = −kx. סימן המינוס מציין את כוח השיקום של הקפיץ, הפועל בכיוון ההפוך לזה שמותח או דוחס אותו.
כדי לחשב את האנרגיה הפוטנציאלית המאוחסנת בחומר אלסטי, עליכם להכיר בכך שהכוח גדל ככל איקס עולה. אולם למרחק אינסופי הוא F קבוע. על ידי סיכום הכוחות של כל המרחקים האינסופיים בין 0 (שיווי משקל) לבין ההארכה או הדחיסה הסופית איקס, אתה יכול לחשב את העבודה שבוצעה ואת האנרגיה המאוחסנת. תהליך סיכום זה הוא טכניקה מתמטית הנקראת אינטגרציה. הוא מייצר את נוסחת האנרגיה הפוטנציאלית לחומר אלסטי:
אנרגיה פוטנציאלית = kx2/2
איפה איקס הוא הרחבה ו k הוא האביב קבוע.
פוטנציאל חשמלי או מתח
שקול להזיז מטען חיובי ש בתוך שדה חשמלי שנוצר על ידי מטען חיובי גדול יותר ש. בגלל כוחות דחייה חשמליים, נדרשת עבודה כדי לקרב את המטען הקטן יותר לזה הגדול יותר. על פי חוק קולומב, הכוח בין האישומים בכל שלב שהוא הוא kqQ/ר2, איפה ר הוא המרחק ביניהם. במקרה הזה, k הוא הקבוע של קולומב, ולא קבוע האביב. פיזיקאים מציינים את שניהם על ידי k. אתה מחשב את האנרגיה הפוטנציאלית על ידי התחשבות בעבודה הדרושה להעברה ש מאין סוף רחוק מ ש למרחקו ר. זה נותן את משוואת האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית:
אנרגיה פוטנציאלית חשמלית = kqQ/ר
הפוטנציאל החשמלי שונה במקצת. זוהי כמות האנרגיה המאוחסנת לכל מטען יחידה, והיא מכונה מתח, מדידה בוולט (ג'ול / קולומב). המשוואה לפוטנציאל או למתח החשמלי שנוצר מהמטען ש ממרחק ר הוא:
פוטנציאל חשמלי = kQ/ר