모든 물리학 학생들은 잠재력이 있습니다. 즉, 잠재적 에너지입니다. 그러나 시간을내어 그것이 물리학 측면에서 의미하는 바를 결정하는 사람들은더 많은 잠재력그렇지 않은 사람들보다 그들 주변의 세계에 영향을 미칠 수 있습니다. 최소한 그들은 인터넷 밈 퀴핑으로 잔소리하는 성인에게 고의로 답할 수있을 것입니다.
잠재적 에너지는 무엇입니까?
위치 에너지의 개념은 처음에는 혼란스러워 보일 수 있습니다. 그러나 간단히 말해 잠재적 에너지는 저장된 에너지로 생각할 수 있습니다. 그것은가능성아직 연결되지 않은 배터리 나 달리기 전날 밤에 주자가 먹으려 고하는 스파게티 접시와 같은 동작으로 변신하여 무언가를 발생시킵니다.
잠재적 에너지는 우주에서 발견되는 세 가지 광범위한 에너지 범주 중 하나입니다. 다른 두 가지는 운동 에너지 인 운동 에너지와 재사용이 불가능한 특수 운동 에너지 인 열 에너지입니다.
위치 에너지가 없으면 나중에 사용하기 위해 에너지를 절약 할 수 없습니다. 다행스럽게도 많은 위치 에너지가 존재하며, 지속적으로 자신과 운동 에너지 사이에서 앞뒤로 전환되어 일이 발생합니다.
각 변환에서 일부 잠재 및 운동 에너지는 열이라고도하는 열 에너지로 변환됩니다. 결국, 우주의 모든 에너지는 열 에너지로 변환 될 것이며, 더 이상 위치 에너지가 존재하지 않을 때 "열사"를 경험할 것입니다. 그러나 그 먼 미래의 시간까지 잠재적 에너지는 행동의 가능성을 열어 둘 것입니다.
위치 에너지에 대한 SI 단위와 그 물질에 대한 에너지의 SI 단위는 줄입니다. 여기서 1 줄 = 1 (뉴턴) (미터)입니다.
잠재 에너지의 유형 및 예
많은 유형의 위치 에너지가 있습니다. 이러한 형태의 에너지는 다음과 같습니다.
기계적 위치 에너지 :중력 위치 에너지 (GPE)라고도하며중력장을 기준으로 한 물체의 위치 (예: 지구 표면 근처).
예를 들어, 선반 위에있는 책은 중력으로 인해 넘어 질 가능성이 있습니다. 땅과 관련하여 높을수록 중력장의 근원 인 지구와 관련하여 더 오래 넘어갈 수있는 잠재력이 있습니다. 이에 대해서는 나중에 자세히 설명합니다.
화학적 위치 에너지 :분자 결합에 저장된 에너지는 화학 에너지입니다. 결합을 끊음으로써 방출되어 운동 에너지로 변환 될 수 있습니다.따라서 분자에 결합이 많을수록 더 많은 위치 에너지가 포함됩니다.
예를 들어 음식을 먹을 때 소화 과정은 지방, 단백질, 탄수화물 또는 아미노산 분자를 분해하여 신체가 그 에너지를 사용하여 움직일 수 있도록합니다. 지방은 원자 사이의 결합이 가장 많은 분자 중 가장 길기 때문에 가장 많은 에너지를 저장합니다.
비슷하게, 캠프 파이어에서 사용되는 통나무는 그들이 태워지고 나무에있는 분자들 사이의 결합이 끊어 질 때 방출되는 화학적 위치 에너지를 포함합니다. 배터리를 사용하거나 자동차에서 휘발유를 태우는 등 "이동"하기 위해 화학 반응이 필요한 모든 것에는 화학적 위치 에너지가 포함되어 있습니다.
탄성 위치 에너지 :이러한 형태의 위치 에너지는 물체가 정상적인 형태에서 변형되어 저장되는 에너지입니다. 물체가 원래 모양에서 늘어나거나 압축되면 (예를 들어, 당겨진 고무 밴드 또는 단단한 코일에 고정 된 스프링)가능성놓을 때 튀어 오르거나 뒤로 튀어 오릅니다. 또는 앉은 사람의 흔적이 찌그러진 소파 쿠션을 눌러서 서있을 때 소파가 앉기 전처럼 보일 때까지 인쇄물이 천천히 뒤로 올라갑니다.
원자력 위치 에너지 :많은 위치 에너지는 원자를 함께 묶는 핵력에 의해 저장됩니다. 예를 들어, 양성자와 중성자를 제자리에 고정시키는 핵 내부의 강력한 핵력. 이것이 원자로, 입자 가속기, 별의 중심 또는 기타 고 에너지 상황에서만 일어나는 과정 인 원자를 분리하기가 어려운 이유입니다.
화학적 위치 에너지와 혼동하지 않도록 핵 위치 에너지가 저장됩니다.개별 원자 내부. 이름에서 알 수 있듯이 원자 폭탄은 인류의 가장 공격적인 핵 위치 에너지 사용 중 하나입니다.
전위 에너지 :이 에너지는 특정 구성에서 전하를 유지함으로써 저장됩니다. 예를 들어, 축적 된 음전하가 많은 스웨터를 양전하 또는 중성 물체에 가까이 가져 가면가능성양전하를 끌어 당기고 다른 음전하를 격퇴하여 움직임을 유발합니다.
전기장에 고정 된 단일 하전 입자도 전위 에너지를가집니다. 이 예는 전기장에 대한 전하의 위치가 무엇이라는 점에서 중력 위치 에너지와 유사합니다. 중력장과 관련된 물체의 위치가 GPE를 결정하는 것처럼 위치 에너지의 양을 결정합니다.
중력 포텐셜 에너지 공식
중력 위치 에너지 (GPE)는 고등학교 물리학 학생들이 일반적으로 계산을 수행하는 몇 안되는 에너지 유형 중 하나입니다 (다른 것은 선형 및 회전 운동 에너지). 중력에서 비롯됩니다. 물체의 GPE 양에 영향을 미치는 변수는 질량입니다.미디엄,중력으로 인한 가속도지, 높이h.
GPE = mgh
GPE가 줄 (J), 질량 (kg), 중력 가속도 (초당 미터) (m / s2) 및 높이 (m).
지구상에서는지항상 9.8m / s로 간주됩니다.2. 다른 행성과 같이 지구가 중력 가속의 국지적 원천이 아닌 다른 위치에서는지다른 값이 있습니다.
GPE의 공식은 물체가 더 무겁거나 더 높을수록 더 많은 잠재적 에너지를 포함한다는 것을 의미합니다. 이것은 차례로 건물의 꼭대기에서 떨어진 페니가 인도 바로 위의 사람의 주머니에서 떨어진 것보다 바닥에서 훨씬 더 빠르게 진행되는 이유를 설명합니다. (이것은 또한 에너지 보존에 대한 설명입니다. 물체가 떨어지면 위치 에너지가 전체 에너지가 유지 되려면 운동 에너지가 같은 양만큼 증가해야합니다. 일정한.)
더 높은 높이에서 시작한다는 것은 페니가 더 먼 거리에서 아래쪽으로 가속하여 여행이 끝날 때까지 더 빠른 속도를 제공한다는 것을 의미합니다. 또는 더 먼 거리를 계속 이동하려면 지붕 위의 페니가 더 많은 위치 에너지로 시작되어야하는데, 이는 GPE 공식이 정량화합니다.
GPE 예
중력 위치 에너지가 가장 큰 것부터 가장 작은 것까지 다음 물체의 순위를 매 깁니다.
- 3m 사다리 꼭대기에있는 50kg 여성
- 10m 착륙장 상단에있는 30kg 무빙 박스
- 파워 리프터의 머리 위로 0.5m 높이에있는 250kg 바벨
이를 비교하려면 공식 GPE = mgh를 사용하여 각 상황에 대한 GPE를 계산하십시오.
- 여성 GPE = (55kg) (9.8m / s2) (3m) = 1,617J
- 무빙 박스 GPE = (30kg) (9.8m / s2) (10m) = 2,940J
- 바벨 GPE = (250kg) (9.8m / s2) (0.5m) = 1,470J
따라서 대부분의 GPE에서 최소한의 순서는 무빙 박스, 여성, 바벨입니다.
수학적으로 모든 물체가 지구에 있고 동일한 값을 가졌기 때문에지, 해당 번호를 남겨두면 여전히 올바른 순서가됩니다 (하지만 그렇게하면아니실제 에너지 양을 줄 단위로 제공하십시오!).
대신 움직이는 상자가 지구 대신 화성에 있다고 생각해보십시오. 화성에서 중력으로 인한 가속도는 지구상의 약 1/3입니다. 즉, 이동 상자는 10m 높이에서 화성에서 GPE 양의 약 1/3 또는 980J를 가질 것입니다.