Visiem fizikas studentiem ir potenciāls - potenciālā enerģija, tas ir. Bet tiem, kas velta laiku, lai noteiktu, ko tas nozīmē fizikas ziņā, būsvairāk potenciālaietekmēt apkārtējo pasauli nekā tie, kas to nedara. Vismaz viņi varēs apzināti atbildēt uz niķojošos pieaugušo ar interneta meme quip: "Es neesmu slinks, es esmu pārpildīts ar potenciālo enerģiju."
Kas ir potenciālā enerģija?
Sākumā potenciālās enerģijas jēdziens varētu šķist mulsinošs. Bet īsāk sakot, jūs varat domāt par potenciālo enerģiju kā par uzkrāto enerģiju. Tam irpotenciālupārveidoties kustībā un panākt, lai kaut kas notiktu, piemēram, baterija, kas vēl nav pievienota, vai spageti plāksne, kuru skrējējs gatavojas ēst vakarā pirms sacensībām.
Potenciālā enerģija ir viena no trim Visumā sastopamajām plašajām enerģijas kategorijām. Pārējie divi ir kinētiskā enerģija, kas ir kustības enerģija, un siltuma enerģija, kas ir īpašs, vienreiz neizmantojams kinētiskās enerģijas veids.
Bez potenciālās enerģijas nevarēja ietaupīt enerģiju vēlākai izmantošanai. Par laimi, pastāv daudz potenciālās enerģijas, un tā pastāvīgi pārveidojas turp un atpakaļ starp sevi un kinētisko enerģiju, liekot lietām notikt.
Ar katru transformāciju kāda potenciālā un kinētiskā enerģija pārveidojas par siltuma enerģiju, ko sauc arī par siltumu. Galu galā visa Visuma enerģija tiks pārveidota par siltuma enerģiju, un tā piedzīvos "karstuma nāvi", kad vairs nebūs potenciālās enerģijas. Bet līdz šim tālajam nākotnes laikam potenciālā enerģija saglabās rīcības iespējas atvērtas.
SI vienība potenciālajai enerģijai un jebkura enerģija šim jautājumam ir džouls, kur 1 džouls = 1 (ņūtons) (metrs).
Potenciālās enerģijas veidi un piemēri
Ir daudz veidu potenciālās enerģijas. Starp šiem enerģijas veidiem ir:
Mehāniskā potenciālā enerģija:Pazīstams arī kā gravitācijas potenciālā enerģija jeb GPE, tas attiecas uz enerģiju, ko uzkrājobjekta atrašanās vieta attiecībā pret gravitācijas lauku, piemēram, Zemes virsmas tuvumā.
Piemēram, grāmatai, kas sēž plaukta augšdaļā, gravitācijas spēka dēļ ir iespēja nokrist. Jo augstāks tas ir attiecībā pret zemi - un līdz ar to arī pret Zemi, kas ir gravitācijas lauka avots -, jo ilgāku kritienu tas var šķērsot. Vairāk par to vēlāk.
Ķīmiskā potenciālā enerģija:Enerģija, kas uzkrāta molekulārajās saitēs, ir ķīmiskā enerģija. To var atbrīvot un pārveidot kinētiskajā enerģijā, pārtraucot saites.Tādējādi, jo vairāk molekulas saites, jo vairāk potenciālās enerģijas tā satur.
Piemēram, ēdot ēdienu, gremošanas process sadala tauku, olbaltumvielu, ogļhidrātu vai aminoskābju molekulas, lai organisms varētu izmantot šo enerģiju kustībai. Tā kā tauki ir garākās no tām molekulām, kurām ir vislielākās saites starp atomiem, tās uzkrāj visvairāk enerģijas.
Tāpat ugunskurā izmantotie apaļkoki satur ķīmisko potenciālu enerģiju, kas izdalās, tos sadedzinot, un saites starp molekulām koksnē tiek noārdītas. Viss, kas prasa ķīmisku reakciju, lai "iet", ieskaitot akumulatoru lietošanu vai benzīna sadedzināšanu automašīnā, satur ķīmisko potenciālu enerģiju.
Elastīgā potenciālā enerģija:Šī potenciālās enerģijas forma ir enerģija, kas tiek uzkrāta objekta deformācijā no tā parastās formas. Kad objekts ir izstiepts vai saspiests no tā sākotnējās formas - teiksim, izvilkta gumijas josla vai atspere, kas turēta ciešā spolē -, tam irpotenciālupavasarī vai atlecot, kad to atbrīvo. Vai arī squishy dīvāna spilvens tiek nospiests ar uz tā sēdoša cilvēka nospiedumu, lai, stāvot, nospiedums lēnām paceltos atpakaļ, līdz dīvāns izskatās kā tas bija pirms viņi sēdēja.
Kodolenerģijas potenciālā enerģija:Kodolspēki, kas kopā tur atomus, uzkrāj daudz potenciālās enerģijas. Piemēram, spēcīgais kodolspēks kodola iekšpusē, kas protonus un neitronus tur savā vietā. Tāpēc ir tik grūti sadalīt atomus, process, kas notiek tikai kodolreaktoros, daļiņu paātrinātājos, zvaigžņu centros vai citās augstas enerģijas situācijās.
Nevajadzētu jaukt ar ķīmisko potenciālu enerģiju, kodolpotenciālā enerģija tiek uzkrātaatsevišķu atomu iekšpusē. Kā norāda viņu nosaukums, atombumbas ir viens no cilvēces agresīvākajiem kodolenerģijas izmantošanas veidiem.
Elektriskā potenciālā enerģija:Šī enerģija tiek uzkrāta, turot elektriskos lādiņus noteiktā konfigurācijā. Piemēram, ja džemperis, kurā ir daudz iebūvētu negatīvu lādiņu, tiek tuvināts pozitīvam vai neitrālam objektam, tam irpotenciāluizraisīt kustību, piesaistot pozitīvus lādiņus un atvairot citus negatīvus lādiņus.
Jebkurai atsevišķai lādētai daļiņai, kas tiek turēta elektriskā laukā, ir arī elektriskā potenciāla enerģija. Šis piemērs ir analogs gravitācijas potenciālajai enerģijai, jo lādiņa pozīcija attiecībā pret elektrisko lauku ir kāda nosaka tā potenciālās enerģijas daudzumu, tāpat kā objekta atrašanās vieta attiecībā pret gravitācijas lauku nosaka tā GPE.
Gravitācijas potenciāla enerģijas formula
Gravitācijas potenciālā enerģija jeb GPE ir viens no nedaudzajiem enerģijas veidiem, kuriem vidusskolas fizikas studenti parasti veic aprēķinus (citi ir lineārā un rotācijas kinētiskā enerģija). Tas rodas no gravitācijas spēka. Mainīgie, kas ietekmē objekta GPE daudzumu, ir masam,paātrinājums gravitācijas dēļg, un augstumsh.
GPE = mgh
Ja GPE mēra džoulos (J), masa kilogramos (kg), gravitācijas paātrinājums metros sekundē sekundē (m / s2) un augstums metros (m).
Ņemiet vērā, ka uz Zemesgtiek uzskatīts par vienmēr vienādu ar 9,8 m / s2. Citās vietās, kur Zeme nav vietējais gravitācijas paātrinājuma avots, piemēram, uz citām planētām,gir citas vērtības.
GPE formula nozīmē, ka jo masīvāks ir objekts vai jo augstāk tas atrodas, jo vairāk potenciālās enerģijas tas satur. Tas savukārt izskaidro, kāpēc no ēkas augšas nomestais penss apakšā iet daudz ātrāk nekā no cilvēka kabatas tieši virs ietves. (Tas ir arī ilustrācija enerģijas saglabāšanai: objektam krītot, tā potenciālā enerģija samazinās, tāpēc tās kinētiskajai enerģijai jāpalielinās par tādu pašu daudzumu, lai kopējā enerģija paliktu nemainīgs.)
Sākot no lielāka augstuma, penss paātrināsies uz leju, veicot lielāku attālumu, kā rezultātā brauciena beigās būs ātrāks ātrums. Vai arī, lai turpinātu pārvietoties lielākā attālumā, pensam uz jumta jābūt iesāktam ar lielāku potenciālu enerģiju, ko GPE formula izsaka skaitļos.
GPE piemērs
Novietojiet šādus objektus no lielākās līdz vismazāk gravitācijas potenciālās enerģijas:
- 50 kg smaga sieviete 3 m kāpņu augšpusē
- 30 kg pārvietojama kaste 10 m nosēšanās augšpusē
- 250 kg smagā stienis bija 0,5 m virs spēka pacēlāja galvas
Lai tos salīdzinātu, aprēķiniet GPE katrai situācijai, izmantojot formulu GPE = mgh.
- Sievietes GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1617 J
- Kustīgā kaste GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- Stienis GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1 470 J
Tātad no lielākās līdz mazākajai GPE pasūtījums ir: pārvietojamā kaste, sieviete, stienis.
Ņemiet vērā, ka matemātiski, tā kā visi objekti bija uz Zemes un tiem bija vienāda vērtībag, atstājot šo numuru, rezultāts joprojām būtu pareizā secībā (bet, rīkojoties šādinēnorādiet faktiskos enerģijas daudzumus džoulos!).
Apsveriet tā vietā, ka kustīgā kaste atradās uz Marsa, nevis uz Zemes. Uz Marsa gravitācijas dēļ paātrinājums ir aptuveni viena trešdaļa no tā, kas ir uz Zemes. Tas nozīmē, ka kustīgajai kastei būtu aptuveni viena trešdaļa GPE daudzuma uz Marsa 10 m augstumā jeb 980 J.