Potentiële energie klinkt alsof het gewoon energie is die niet is geactualiseerd, en als je er zo over denkt, kun je gaan geloven dat het niet echt is. Ga echter onder een kluis staan die 30 voet boven de grond hangt, en je mening kan veranderen. De kluis heeft potentiële energie vanwege de zwaartekracht, en als iemand het touw zou doorsnijden dat hem vasthoudt, zou die energie draaien in kinetische energie, en tegen de tijd dat de kluis je bereikt, zou het genoeg "geactualiseerde" energie hebben om je een splitsing te geven hoofdpijn.
Een betere definitie van potentiële energie is opgeslagen energie, en het kost "werk" om de energie op te slaan. Natuurkunde heeft een specifieke definitie van werk - werk wordt gedaan wanneer een kracht een object over een afstand beweegt. Werk heeft met energie te maken. Het wordt gemeten in joules in het SI-systeem. Dit zijn ook potentiële en kinetische energie-eenheden. Om arbeid om te zetten in potentiële energie, moet je optreden tegen een bepaald soort kracht, en dat zijn er meerdere. De kracht kan zwaartekracht, een veer of een elektrisch veld zijn. De kenmerken van de kracht bepalen de hoeveelheid potentiële energie die je opslaat door ertegen te werken.
Potentiële energieformule voor het zwaartekrachtveld van de aarde
De manier waarop zwaartekracht werkt, is dat twee lichamen elkaar aantrekken, maar alles op aarde is zo klein in vergelijking met de planeet zelf dat alleen het zwaartekrachtveld van de aarde significant is. Als je een lichaam optilt (m) boven de grond, ervaart dat lichaam een kracht die de neiging heeft om het naar de grond te laten versnellen. De grootte van de kracht (F), uit de 2e wet van Newton, wordt gegeven door F = mg, waar g is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht, die overal op aarde een constante is.
Stel dat u het lichaam tot een hoogte tilt h. De hoeveelheid werk die je doet om dit te bereiken is kracht × afstand, of mgh. Dat werk wordt opgeslagen als potentiële energie, dus de potentiële energievergelijking voor het zwaartekrachtveld van de aarde is eenvoudig:
Gravitatie Potentiële Energie = mgh
Elastische potentiële energie
Veren, elastiekjes en andere elastische materialen kunnen energie opslaan, wat in wezen is wat je doet als je een boog terugtrekt net voordat je een pijl afschiet. Wanneer u een veer uitrekt of samendrukt, oefent deze een tegengestelde kracht uit die de veer in zijn oorspronkelijke staat herstelt evenwichtspositie De grootte van de kracht is evenredig met de afstand die u uitrekt of comprimeert het (X). De evenredigheidsconstante (k) is kenmerkend voor de lente. Volgens de wet van Hooke, F = −kx. Het minteken geeft de herstellende kracht van de veer aan, die werkt in de tegenovergestelde richting van degene die hem uitrekt of comprimeert.
Om de potentiële energie opgeslagen in een elastisch materiaal te berekenen, moet je erkennen dat de kracht groter wordt naarmate X neemt toe. Voor een oneindig kleine afstand is F echter constant. Door de krachten op te tellen van alle oneindig kleine afstanden tussen 0 (evenwicht) en de uiteindelijke extensie of compressie X, kunt u de verrichte arbeid en de opgeslagen energie berekenen. Dit optelproces is een wiskundige techniek die integratie wordt genoemd. Het produceert de potentiële energieformule voor een elastisch materiaal:
Potentiële energie = kx2/2
waar X is de extensie en k is de veerconstante.
Elektrisch potentiaal of spanning
Overweeg een positieve lading te verplaatsen q binnen een elektrisch veld gegenereerd door een grotere positieve lading Vraag. Vanwege elektrische afstotende krachten is er werk nodig om de kleinere lading dichter bij de grotere te brengen. Volgens de wet van Coulomb is de kracht tussen de ladingen op elk punt: kqQ/r2, waar r is de afstand tussen hen. In dit geval, k is de constante van Coulomb, niet de veerconstante. Natuurkundigen duiden ze allebei aan met: k. U berekent de potentiële energie door rekening te houden met de arbeid die nodig is om te bewegen q van oneindig ver van Vraag naar zijn afstand r. Dit geeft de elektrische potentiële energievergelijking:
Elektrische potentiële energie = kqQ/r
Elektrisch potentieel is iets anders. Het is de hoeveelheid opgeslagen energie per eenheid lading, en het staat bekend als spanning, gemeten in volt (joule/coulomb). De vergelijking voor de elektrische potentiaal of spanning gegenereerd door de lading Vraag op een afstand r is:
Elektrisch potentiaal = kQ/r