Alle natuurkundestudenten hebben potentieel, dat wil zeggen potentiële energie. Maar degenen die de tijd nemen om te bepalen wat dat in termen van natuurkunde betekent, zullen hebbenmeer potentieelom de wereld om hen heen te beïnvloeden dan degenen die dat niet doen. Ze zullen op zijn minst bewust kunnen antwoorden op een zeurende volwassene met een internetmeme-kwinkslag: "Ik ben niet lui, ik zit boordevol potentiële energie."
Wat is potentiële energie?
Het concept van potentiële energie lijkt in eerste instantie misschien verwarrend. Maar kort gezegd, je kunt potentiële energie zien als opgeslagen energie. Het heeft depotentieelom in beweging te komen en iets te laten gebeuren, zoals een batterij die nog niet is aangesloten of een bord spaghetti dat een hardloper de avond voor de race op het punt staat te eten.
Potentiële energie is een van de drie brede categorieën van energie die in het universum worden aangetroffen. De andere twee zijn kinetische energie, wat de energie van beweging is, en thermische energie, wat een speciaal, niet-herbruikbaar type kinetische energie is.
Zonder potentiële energie zou er geen energie kunnen worden opgeslagen voor later gebruik. Gelukkig bestaat er veel potentiële energie, en het zet constant heen en weer tussen zichzelf en kinetische energie, waardoor dingen gebeuren.
Bij elke transformatie wordt enige potentiële en kinetische energie omgezet in thermische energie, ook wel warmte genoemd. Uiteindelijk zal alle energie van het universum worden omgezet in thermische energie, en het zal "hittedood" ervaren wanneer er geen potentiële energie meer bestaat. Maar tot die verre toekomst zal potentiële energie de mogelijkheden voor actie openhouden.
De SI-eenheid voor potentiële energie, en wat dat betreft voor energie, is de joule, waarbij 1 joule = 1 (newton)(meter).
Typen en voorbeelden van potentiële energie
Er zijn veel soorten potentiële energie. Onder deze vormen van energie zijn:
Mechanische potentiële energie:Ook bekend als gravitatie potentiële energie, of GPE, dit verwijst naar energie opgeslagen door eende positie van het object ten opzichte van een zwaartekrachtveld, zoals dat nabij het aardoppervlak.
Een boek dat bijvoorbeeld bovenaan een plank staat, kan door de zwaartekracht naar beneden vallen. Hoe hoger het is ten opzichte van de grond - en daarmee ten opzichte van de aarde, de bron van het zwaartekrachtsveld - hoe langer een val het potentieel heeft om te doorkruisen. Hierover later meer.
Chemische potentiële energie:Energie opgeslagen in moleculaire bindingen is chemische energie. Het kan worden vrijgegeven en omgezet in kinetische energie door bindingen te verbreken.Dus hoe meer bindingen in een molecuul, hoe meer potentiële energie het bevat.
Bij het eten van voedsel breekt het verteringsproces bijvoorbeeld moleculen van vetten, eiwitten, koolhydraten of aminozuren af, zodat het lichaam die energie kan gebruiken om te bewegen. Omdat vetten de langste zijn van die moleculen met de meeste bindingen tussen atomen, slaan ze de meeste energie op.
Evenzo bevatten de stammen die in een kampvuur worden gebruikt, chemische potentiële energie die vrijkomt wanneer ze worden verbrand en de bindingen tussen moleculen in het hout worden verbroken. Alles dat een chemische reactie vereist om te "gaan" - inclusief het gebruik van batterijen of het verbranden van benzine in een auto - bevat chemische potentiële energie.
Elastische potentiële energie:Deze vorm van potentiële energie is de energie die is opgeslagen bij de vervorming van een object vanuit zijn normale vorm. Wanneer een voorwerp uit zijn oorspronkelijke vorm wordt uitgerekt of samengedrukt – zeg maar een uitgetrokken elastiekje of een veer die strak opgerold wordt – heeft het depotentieelom te veren of terug te stuiteren wanneer ze worden losgelaten. Of een zacht bankkussen wordt ingedrukt met de afdruk van iemand die erop zit, zodat, wanneer ze staan, de afdruk langzaam omhoog komt totdat de bank eruitziet zoals voordat ze zaten.
Nucleaire potentiële energie:Veel potentiële energie wordt opgeslagen door de kernkrachten die atomen bij elkaar houden. Bijvoorbeeld de sterke kernkracht in een kern die de protonen en neutronen op hun plaats houdt. Daarom is het zo moeilijk om atomen te splitsen, een proces dat alleen plaatsvindt in kernreactoren, deeltjesversnellers, de centra van sterren of andere situaties met hoge energie.
Niet te verwarren met chemische potentiële energie, nucleaire potentiële energie wordt opgeslagenbinnenin individuele atomen. Zoals hun naam al zegt, vertegenwoordigen atoombommen een van de meest agressieve toepassingen van nucleaire potentiële energie door de mensheid.
Elektrische potentiële energie:Deze energie wordt opgeslagen door elektrische ladingen in een bepaalde configuratie te houden. Wanneer bijvoorbeeld een trui met veel opgebouwde negatieve ladingen in de buurt van een positief of neutraal object wordt gebracht, heeft het depotentieelbeweging veroorzaken door positieve ladingen aan te trekken en andere negatieve ladingen af te weren.
Elk afzonderlijk geladen deeltje dat op zijn plaats wordt gehouden in een elektrisch veld, heeft ook elektrische potentiële energie. Dit voorbeeld is analoog aan gravitatie potentiële energie in die zin dat de positie van de lading ten opzichte van het elektrische veld is wat bepaalt de hoeveelheid potentiële energie, net zoals de positie van een object ten opzichte van het zwaartekrachtveld zijn GPE bepaalt.
Formule voor potentiële energie van zwaartekracht
Gravitatie-potentiële energie, of GPE, is een van de weinige soorten energie waarvoor middelbare scholieren natuurkunde doorgaans berekeningen uitvoeren (andere zijn lineaire en roterende kinetische energie). Het komt voort uit de zwaartekracht. De variabelen die van invloed zijn op hoeveel GPE een object heeft, zijn massaik,de versnelling als gevolg van de zwaartekrachtgen hoogteh.
GPE=mgh
Waar GPE wordt gemeten in joule (J), massa in kilogram (kg), zwaartekrachtversnelling in meters per seconde per seconde (m/s2) en hoogte in meters (m).
Merk op dat op aarde,gwordt behandeld als altijd gelijk aan 9,8 m/s2. Op andere locaties waar de aarde niet de lokale bron van zwaartekrachtversnelling is, zoals op andere planeten,gheeft andere waarden.
De formule voor GPE houdt in dat hoe massiever een object is of hoe hoger het is geplaatst, hoe meer potentiële energie het bevat. Dit verklaart op zijn beurt waarom een cent die van de top van een gebouw valt veel sneller onderaan gaat dan een die uit iemands zak recht boven het trottoir valt. (Dit is ook een illustratie van het behoud van energie: als het object valt, zijn potentiële energie neemt af, dus de kinetische energie moet met dezelfde hoeveelheid toenemen om de totale energie te behouden constante.)
Als je op een hogere hoogte begint, zal de cent over een langere afstand naar beneden versnellen, wat resulteert in een hogere snelheid aan het einde van de reis. Of, om over een langere afstand te blijven bewegen, moet het kwartje op het dak zijn begonnen met meer potentiële energie, wat de GPE-formule kwantificeert.
GPE-voorbeeld
Rangschik de volgende objecten van de meeste naar de minste potentiële zwaartekracht:
- Een vrouw van 50 kg bovenaan een ladder van 3 m
- Een verhuisdoos van 30 kg bovenaan een overloop van 10 m
- Een halter van 250 kg die 0,5 m boven het hoofd van een powerlifter wordt gehouden
Om deze te vergelijken, berekent u GPE voor elke situatie met behulp van de formule GPE = mgh.
- GPE vrouw = (55 kg) (9,8 m/s2)(3 m) = 1.617 J
- Verhuisdoos GPE = (30 kg)(9,8 m/s2)(10 m) = 2.940 J
- Halter GPE = (250 kg)(9,8 m/s2)(0,5 m) = 1470 J
Dus van de meeste naar de minste GPE is de volgorde: verhuisdoos, vrouw, halter.
Merk op dat, wiskundig gezien, alle objecten op aarde waren en dezelfde waarde hadden voor:g, zou het weglaten van dat nummer nog steeds resulteren in de juiste volgorde (maar dit zounietgeef de werkelijke hoeveelheden energie in joule!).
Bedenk in plaats daarvan dat de verhuisdoos op Mars stond in plaats van op aarde. Op Mars is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht ongeveer een derde van die op aarde. Dat betekent dat de verhuisdoos ongeveer een derde van de hoeveelheid GPE op Mars zou hebben op 10 m hoogte, of 980 J.