პოტენციური ენერგია: რა არის ეს და რატომ არის მნიშვნელოვანი (ფორმულა და მაგალითები)

ფიზიკის ყველა სტუდენტს აქვს პოტენციალი - პოტენციური ენერგია, ეს არის. მაგრამ ვისაც დრო სჭირდება იმის დასადგენად, რას ნიშნავს ეს ფიზიკის თვალსაზრისითმეტი პოტენციალიიმოქმედოს მათ გარშემო არსებულ სამყაროზე, ვიდრე ისინი, ვინც არა. მინიმუმ, მათ საშუალება ექნებათ შეგნებულად უპასუხონ მომაბეზრებელ ზრდასრულს ინტერნეტ მემელის შესახებ: "მე არ ვარ ზარმაცი, მე გადავსებული ვარ პოტენციური ენერგიით".

პოტენციური ენერგიის კონცეფცია თავიდან შეიძლება დამაბნეველი ჩანდეს. მოკლედ, შეგიძლიათ იფიქროთ პოტენციურ ენერგიაზე, როგორც შენახულ ენერგიაზე. მას აქვსპოტენციურიმოძრაობაში გადაკეთება და რამის მოხდენა, მაგალითად, ელემენტი, რომელიც ჯერ კიდევ არ არის დაკავშირებული, ან სპაგეტის ფირფიტა, რომელსაც აპირებს მორბენალი ჭამის წინა ღამით.

პოტენციური ენერგია არის ენერგიის სამი ფართო კატეგორიიდან სამყაროში. დანარჩენი ორი არის კინეტიკური ენერგია, რომელიც არის მოძრაობის ენერგია და თერმული ენერგია, რომელიც წარმოადგენს კინეტიკური ენერგიის სპეციალურ, არაერთჯერად გამოყენებას.

პოტენციური ენერგიის გარეშე ვერავითარი ენერგიის დაზოგვა მოხდება შემდეგ გამოყენებისთვის. საბედნიეროდ, უამრავი პოტენციური ენერგია არსებობს და ის მუდმივად გარდაიქმნება წინ და უკან თავისსა და კინეტიკურ ენერგიას შორის, რაც ხდება.

ყოველი გარდაქმნისთანავე, ზოგიერთი პოტენციური და კინეტიკური ენერგია გარდაიქმნება თერმულ ენერგიად, რომელსაც ასევე უწოდებენ სითბოს. საბოლოოდ, სამყაროს მთელი ენერგია გადაიქცევა თერმულ ენერგიად და ის განიცდის "სითბოს სიკვდილს", როდესაც აღარ იქნება პოტენციური ენერგია. ამ შორეულ მომავალ დრომდე, პოტენციური ენერგია მოქმედების შესაძლებლობებს ღიად შეინარჩუნებს.

პოტენციური ენერგიის და ნებისმიერი ენერგიის SI ერთეული არის ჯოული, სადაც 1 ჯოული = 1 (ნიუტონი) (მეტრი).

არსებობს მრავალი სახის პოტენციური ენერგია. ენერგიის ამ ფორმებს შორისაა:

​მექანიკური პოტენციური ენერგია:ასევე ცნობილია როგორც გრავიტაციული პოტენციური ენერგია, ან GPE, ეს ეხება ენერგიის შენახულ ენერგიასობიექტის პოზიცია გრავიტაციული ველის მიმართ, მაგალითად დედამიწის ზედაპირთან ახლოს​.

მაგალითად, თაროს თავზე მჯდომ წიგნს აქვს სიმძიმის ძალის გამო ჩამონგრევის შესაძლებლობა. რაც უფრო მაღალია იგი მიწასთან და შესაბამისად დედამიწასთან, გრავიტაციული ველის წყაროსთან მიმართებაში, მით უფრო გრძელი ვარდნა აქვს მას. ამის შესახებ შემდეგში.

​ქიმიური პოტენციური ენერგია:მოლეკულურ კავშირებში შენახული ენერგია არის ქიმიური ენერგია. იგი შეიძლება გათავისუფლდეს და გარდაიქმნას კინეტიკურ ენერგიად, ობლიგაციების გაწყვეტით.აქედან გამომდინარე, რაც უფრო მეტ კავშირს შეიცავს მოლეკულაში, მით მეტ პოტენციურ ენერგიას შეიცავს იგი.​

მაგალითად, საკვების მიღების დროს, საჭმლის მონელების პროცესი ანადგურებს ცხიმების, ცილების, ნახშირწყლების ან ამინომჟავების მოლეკულას, რომ სხეულმა გამოიყენოს ეს ენერგია გადაადგილებისთვის. იმის გამო, რომ ცხიმები გრძელია გრძელი იმ მოლეკულათა შორის, რომლებსაც ატომებს შორის ყველაზე მეტი კავშირი აქვთ, ისინი ყველაზე მეტ ენერგიას ინახავენ.

ანალოგიურად, კოცონში გამოყენებული მორები შეიცავს ქიმიურ პოტენციურ ენერგიას, რომელიც გამოიყოფა მათი დაწვისას და ხის მოლეკულებს შორის ბმულები გაწყვეტილია. ყველაფერი, რაც ქიმიურ რეაქციას მოითხოვს "წასვლას" - მათ შორის ელემენტების გამოყენება ან ბენზინის დაწვა მანქანაში - შეიცავს ქიმიურ პოტენციურ ენერგიას.

​ელასტიური პოტენციური ენერგია:პოტენციური ენერგიის ეს ფორმა არის ენერგია, რომელიც ინახება ობიექტის დეფორმაციაში მისი ნორმალური ფორმიდან. როდესაც საგანი გაჭიმულია ან შეკუმშულია თავდაპირველი ფორმისგან - ვთქვათ, გამოყვანილია რეზინის ზოლი ან მჭიდრო კოჭში გამართული ზამბარა - მას აქვსპოტენციურიგაზაფხულზე ან უკან გამოხტომისას ან, მოვარცხნილი დივნის ბალიშს დააჭირეთ მასზე ვიღაცის ანაბეჭდი ისე, რომ როდესაც ისინი დგანან, ანაბეჭდი ნელა აიწევს უკან, სანამ ტახტი არ გამოიყურება ისე, როგორც მანამდე იჯდა.

​ბირთვული პოტენციური ენერგია:ბევრი პოტენციური ენერგია ინახება ბირთვულ ძალებში, რომლებიც ატომებს ერთად იკავებენ. მაგალითად, ძლიერი ბირთვული ძალა ბირთვში, რომელიც პროტონებსა და ნეიტრონებს ინარჩუნებს. ამიტომ ძალიან რთულია ატომების გაყოფა, ეს ხდება მხოლოდ ბირთვულ რეაქტორებში, ნაწილაკების ამაჩქარებლებში, ვარსკვლავების ცენტრებში ან სხვა მაღალენერგეტიკულ სიტუაციებში.

არ უნდა აგვერიოს ქიმიური პოტენციური ენერგიით, ბირთვული პოტენციური ენერგია ინახებაცალკეული ატომების შიგნით. როგორც მათი სახელი აღნიშნავს, ატომური ბომბები წარმოადგენს კაცობრიობის ერთ – ერთ ყველაზე აგრესიულ გამოყენებას ბირთვული პოტენციური ენერგიის შესახებ.

​ელექტროენერგიის პოტენციალი:ეს ენერგია ინახება კონკრეტულ კონფიგურაციაში ელექტრული მუხტების ჩატარების გზით. მაგალითად, როდესაც სვიტერი, რომელშიც ბევრია ჩაშენებული უარყოფითი მუხტი, მიუახლოვდება დადებით ან ნეიტრალურ ობიექტს, მას აქვსპოტენციურიგამოიწვიოს მოძრაობა პოზიტიური მუხტების მოზიდვით და სხვა უარყოფითი მუხტების მოგერიებით.

ელექტრულ ველში ადგილზე მყოფი ნებისმიერი ცალკეული დამუხტული ნაწილაკი ასევე აქვს ელექტროენერგიის პოტენციური ენერგია. ეს მაგალითი გრავიტაციული პოტენციური ენერგიის ანალოგიურია იმით, რომ არის მუხტის პოზიცია ელექტრულ ველთან მიმართებაში განსაზღვრავს მისი პოტენციური ენერგიის რაოდენობას, ისევე როგორც ობიექტის პოზიცია გრავიტაციულ ველთან მიმართებაში განსაზღვრავს მის GPE- ს.

გრავიტაციული პოტენციური ენერგია, ან GPE, არის ენერგიის რამდენიმე ტიპი, რომლისთვისაც საშუალო სკოლის ფიზიკის სტუდენტები ჩვეულებრივ ასრულებენ გამოთვლებს (სხვები ხაზოვანი და ბრუნვითი კინეტიკური ენერგიაა). ეს ხდება გრავიტაციული ძალისგან. ცვლადები, რომლებიც გავლენას ახდენენ ობიექტის GPE მასაზემ,აჩქარება სიმძიმის გამოგდა სიმაღლეთ​

სადაც GPE იზომება ჯოულებში (J), მასა კილოგრამებში (კგ), აჩქარება წამში მიზიდულობით წამში წამში (მ / წმ)²) და სიმაღლე მეტრებში (მ).

გაითვალისწინეთ, რომ დედამიწაზე,გგანიხილება, როგორც ყოველთვის ტოლი 9.8 მ / წმ². სხვა ადგილებში, სადაც დედამიწა არ წარმოადგენს გრავიტაციული აჩქარების ადგილობრივ წყაროს, მაგალითად სხვა პლანეტებზე,გაქვს სხვა ღირებულებები.

GPE– ს ფორმულა გულისხმობს, რომ რაც უფრო მასიურია ობიექტი ან რაც უფრო მაღალია განთავსებული, მით უფრო მეტ პოტენციურ ენერგიას შეიცავს იგი. ეს თავის მხრივ ხსნის იმას, თუ რატომ მოხდება შენობიდან ზემოდან დაშვებული გროშის ძირში უფრო სწრაფად, ვიდრე ადამიანის ჯიბიდან ტროტუარის ზემოთ. (ესეც ენერგიის დაზოგვის ილუსტრაციაა: ობიექტის დაცემისას, მისი პოტენციური ენერგია მცირდება, ამიტომ მისი კინეტიკური ენერგია იმავე რაოდენობით უნდა გაიზარდოს, რომ მთლიანი ენერგია დარჩეს მუდმივი.)

უფრო მაღალ სიმაღლეზე დაწყება ნიშნავს, რომ გროვა უფრო დიდ მანძილზე დაჩქარდება ქვევით, რის შედეგადაც მოგზაურობა დასრულდება უფრო სწრაფი სიჩქარით. ან, უფრო დიდ მანძილზე მოძრაობის გასაგრძელებლად, სახურავზე გროვა უნდა დაწყებულიყო უფრო მეტი პოტენციური ენერგიით, რასაც GPE ფორმულა აფასებს.

შემდეგი ობიექტების რანჟირება მაქსიმალური გრავიტაციული პოტენციური ენერგიიდან:

• 50 კგ ქალი 3 მეტრიანი კიბის თავზე
• 30 კგ-იანი მოძრავი ყუთი 10-მეტრიანი დესანტის ზედა ნაწილში
• 250 კილოგრამიანი წვერა ძაბვის ამწევიდან თავზე 0,5 მ-ზე იდგა

ამის შესადარებლად გამოთვალეთ GPE თითოეული სიტუაციისთვის ფორმულის GPE = mgh გამოყენებით.

• ქალი GPE = (55 კგ) (9,8 მ / წმ)²) (3 მ) = 1,617 ჯ
• მოძრავი ყუთი GPE = (30 კგ) (9.8 მ / წმ)²) (10 მ) = 2,940 ჯ
• წვერა GPE = (250 კგ) (9,8 მ / წმ)²) (0,5 მ) = 1,470 ჯ
  

ასე რომ, GPE– დან მინიმუმამდე შეკვეთაა: მოძრავი ყუთი, ქალი, წვერა.

გაითვალისწინეთ, რომ მათემატიკურად, რადგან ყველა ობიექტი დედამიწაზე იყო და იგივე მნიშვნელობა ჰქონდაგ, ამ რიცხვის გარეთ დატოვება მაინც გამოიწვევს სწორ თანმიმდევრობას (მაგრამ ამის გაკეთება ასე იქნებაარამიეცით ენერგიის რეალური რაოდენობა ჯოულებში!).

ამის ნაცვლად გაითვალისწინეთ, რომ მოძრავი ყუთი დედამიწის ნაცვლად მარსზე იყო. მარსზე, გრავიტაციის გამო, დაჩქარება დაახლოებით მესამედია, ვიდრე დედამიწაზე. ეს ნიშნავს, რომ მოძრავ ყუთს ექნება მარსის მარშრუტზე GPE- ის ოდენობის დაახლოებით ერთი მესამედი 10 მ სიმაღლეზე, ანუ 980 J.