Visi fizikos studentai turi potencialą - potencialią energiją, t. Bet tie, kurie skiria laiko tam, kad nustatytų, ką tai reiškia fizikos prasme, turėsdaugiau potencialopaveikti aplinkinį pasaulį nei tie, kurie to nedaro. Mažiausiai jie galės sąmoningai atsakyti į nervinantį suaugusįjį su internetiniu memu: „Aš netingi, aš perpildyta potencialios energijos“.
Kas yra potenciali energija?
Iš pradžių potencialios energijos samprata gali atrodyti paini. Bet trumpai tariant, galite galvoti apie potencialią energiją kaip apie sukauptą energiją. Jis turipotencialustransformuotis į judesį ir priversti kažką įvykti, pavyzdžiui, dar neprijungtą akumuliatorių ar lėkštę spagečių, kuriuos bėgikas ketina suvalgyti naktį prieš varžybas.
Potenciali energija yra viena iš trijų plačių visatoje esančių energijos kategorijų. Kiti du yra kinetinė energija, kuri yra judėjimo energija, ir šiluminė energija, kuri yra ypatinga, daugkartinio naudojimo kinetinės energijos rūšis.
Be potencialios energijos nebuvo galima sutaupyti energijos vėlesniam naudojimui. Laimei, egzistuoja daug potencialios energijos ir ji nuolat virsta pirmyn ir atgal tarp savęs ir kinetinės energijos, kad viskas įvyktų.
Kiekvienos transformacijos metu tam tikra potencialo ir kinetinė energija virsta šilumine energija, dar vadinama šiluma. Galiausiai visa visatos energija bus paversta šilumine energija ir ji patirs „šilumos mirtį“, kai nebebus jokios potencialios energijos. Bet iki tolimiausio ateities laiko potenciali energija išlaikys galimybes veikti.
SI potencialios energijos vienetas ir bet koks energijos kiekis šiuo klausimu yra džaulis, kur 1 džaulis = 1 (niutonas) (metras).
Potencialios energijos tipai ir pavyzdžiai
Yra daug potencialios energijos rūšių. Tarp šių energijos formų yra:
Mechaninė potenciali energija:Taip pat žinomas kaip gravitacinė potencialo energija arba GPE, tai reiškia energiją, sukauptąobjekto padėtis, palyginti su gravitaciniu lauku, pavyzdžiui, šalia Žemės paviršiaus.
Pavyzdžiui, knyga, sėdinti lentynos viršuje, gali nukristi dėl sunkio jėgos. Kuo jis aukštesnis žemės atžvilgiu, taigi ir Žemės, gravitacinio lauko šaltinio, atžvilgiu, tuo ilgesnį kritimą jis gali įveikti. Daugiau apie tai vėliau.
Cheminė potenciali energija:Energija, kaupiama molekulinėse jungtyse, yra cheminė energija. Ji gali būti išlaisvinta ir transformuota į kinetinę energiją, nutraukiant ryšius.Vadinasi, kuo daugiau molekulių ryšių, tuo daugiau potencialios energijos joje yra.
Pavyzdžiui, valgant maistą, virškinimo procesas skaido riebalų, baltymų, angliavandenių ar amino rūgščių molekules, kad kūnas galėtų panaudoti tą energiją judėdamas. Kadangi riebalai yra ilgiausios iš molekulių, turinčių daugiausiai ryšių tarp atomų, jie kaupia daugiausiai energijos.
Panašiai lauže naudojamuose rąstuose yra cheminės potencialios energijos, kuri išsiskiria jas sudeginus ir nutrūkus ryšiams tarp medienos molekulių. Viskas, kam reikalinga cheminė reakcija, įskaitant akumuliatorių naudojimą ar benzino deginimą automobilyje, turi potencialios cheminės energijos.
Elastinė potenciali energija:Ši potencialios energijos forma yra energija, saugoma deformuojant daiktą nuo jo įprastos formos. Kai daiktas yra ištemptas arba suglaudžiamas nuo pradinės formos - tarkim, ištraukta guminė juosta arba spyruoklė, laikoma įtemptoje ritėje - jis turipotencialuspavasarį ar atšokęs, kai bus paleistas. Arba, šmaikšta sofos pagalvėlė prispaudžiama ant jos sėdinčio žmogaus atspaudo, kad, atsistojus, atspaudas lėtai pakiltų atgal, kol sofa atrodys taip, kaip atrodė prieš jiems sėdint.
Branduolio potencialo energija:Daug potencialios energijos kaupia atomai, laikantys atomus. Pavyzdžiui, stipri branduolio jėga branduolyje, laikanti protonus ir neutronus. Štai kodėl taip sunku skaidyti atomus - procesas vyksta tik branduoliniuose reaktoriuose, dalelių greitintuvuose, žvaigždžių centruose ar kitose didelės energijos situacijose.
Negalima painioti su chemine potencialia energija, o branduolinė potencialo energija yra kaupiamaatskirų atomų viduje. Kaip sakoma jų pavadinime, atominės bombos yra vienas agresyviausių žmonijos branduolinės energijos panaudojimo būdų.
Elektros potencialo energija:Ši energija kaupiama laikant elektros krūvius tam tikroje konfigūracijoje. Pavyzdžiui, kai megztinis, kuriame yra daugybė neigiamų įkrovų, priartėja prie teigiamo ar neutralaus objekto, jis turipotencialussukelti judesį pritraukiant teigiamus krūvius ir atremiant kitus neigiamus krūvius.
Bet kuri elektriniame lauke laikoma viena įkrauta dalelė taip pat turi elektros potencialo energiją. Šis pavyzdys yra analogas gravitacinei potencialo energijai tuo, kad krūvio padėtis elektros lauko atžvilgiu yra kokia nustato jo potencialios energijos kiekį, kaip objekto padėtis gravitacijos lauko atžvilgiu lemia jo GPE.
Gravitacinės potencialios energijos formulė
Gravitacinė potencialo energija arba GPE yra viena iš nedaugelio energijos rūšių, kuriai vidurinės mokyklos fizikos studentai paprastai atlieka skaičiavimus (kiti yra tiesinė ir sukimosi kinetinė energija). Tai atsiranda dėl gravitacinės jėgos. Kintamieji, turintys įtakos GPE objekto kiekiui, yra masėm,pagreitis dėl sunkio jėgosg, ir aukštish.
GPE = mgh
Kai GPE matuojamas džauliais (J), masė kilogramais (kg), pagreitis dėl sunkio jėgos metrais per sekundę per sekundę (m / s)2) ir aukštis metrais (m).
Atkreipkite dėmesį, kad Žemėjegtraktuojamas kaip visada lygus 9,8 m / s2. Kitose vietose, kur Žemė nėra vietinis gravitacinio pagreičio šaltinis, pavyzdžiui, kitose planetose,gturi kitas vertybes.
GPE formulė reiškia, kad kuo masyvesnis objektas ar kuo aukščiau jis yra, tuo daugiau jame yra potencialios energijos. Tai savo ruožtu paaiškina, kodėl iš pastato viršaus numestas centas apačioje eis daug greičiau, nei numestas iš žmogaus kišenės tiesiai virš šaligatvio. (Tai taip pat iliustruoja energijos išsaugojimą: krintant objektui, jo potenciali energija mažėja, todėl jos kinetinė energija turi padidėti tuo pačiu kiekiu, kad liktų visa energija pastovus.)
Pradėjimas nuo didesnio aukščio reiškia, kad ilgesniu atstumu centas paspartės žemyn, todėl kelionės pabaigoje greitis bus didesnis. Arba, norint judėti didesniu atstumu, centas ant stogo turėjo prasidėti nuo didesnės potencialios energijos, kurią GPE formulė išreiškia kiekybiškai.
GPE pavyzdys
Reitinguokite šiuos objektus nuo didžiausios iki mažiausios gravitacijos potencialios energijos:
- 50 kg moteris 3 m kopėčių viršuje
- 30 kg kilnojamoji dėžė 10 m tūpimo viršuje
- 250 kg svorio štanga laikyta 0,5 m virš jėgos pakėlėjo galvos
Norėdami juos palyginti, apskaičiuokite kiekvienos situacijos GPE naudodami formulę GPE = mgh.
- Moters GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1 617 J
- Judanti dėžė GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- Štangos GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1 470 J
Taigi nuo daugumos iki mažiausių GPE tvarka yra tokia: judanti dėžė, moteris, štanga.
Atkreipkite dėmesį, kad matematiškai visi objektai buvo Žemėje ir turėjo tą pačią reikšmęg, palikus šį numerį, vis tiek bus nustatyta teisinga tvarka (bet tai padariusnefaktinius energijos kiekius pateikite džauliais!).
Atsižvelkite į tai, kad judanti dėžė buvo Marse vietoj Žemės. Marse pagreitis dėl gravitacijos yra maždaug trečdalis to, kas yra Žemėje. Tai reiškia, kad judančioje dėžėje būtų apie trečdalis GPE kiekio Marse, esant 10 m aukščio, arba 980 J.