Alle fysikkstudenter har potensial - potensiell energi, altså. Men de som tar seg tid til å bestemme hva det betyr med tanke på fysikk, vil hamer potensialeå påvirke verden rundt dem enn de som ikke gjør det. I det minste vil de være i stand til å svare bevisst til en gnagende voksen med et internet-meme-quip: "Jeg er ikke lat, jeg overfyller potensiell energi."
Hva er potensiell energi?
Begrepet potensiell energi kan virke forvirrende i begynnelsen. Men kort sagt, du kan tenke på potensiell energi som lagret energi. Den harpotensiellå forvandle seg til bevegelse og få noe til å skje, som et batteri som ennå ikke er koblet til eller en plate spaghetti som en løper er i ferd med å spise kvelden før løpet.
Potensiell energi er en av tre brede kategorier av energi som finnes i universet. De to andre er kinetisk energi, som er bevegelsesenergien, og termisk energi, som er en spesiell, ikke-gjenbrukbar type kinetisk energi.
Uten potensiell energi kunne ingen energi spares til senere bruk. Heldigvis eksisterer det mye potensiell energi, og det konverterer kontinuerlig frem og tilbake mellom seg selv og kinetisk energi, noe som får ting til å skje.
Ved hver transformasjon forvandles noe potensiell og kinetisk energi til termisk energi, også kjent som varme. Til slutt vil all universets energi bli konvertert til termisk energi, og den vil oppleve "varmedød" når det ikke finnes mer potensiell energi. Men inntil den fjerntliggende fremtidige tiden vil potensiell energi holde mulighetene for handling åpne.
SI-enheten for potensiell energi, og hvilken som helst for energi for den saks skyld, er joule, der 1 joule = 1 (newton) (meter).
Typer og eksempler på potensiell energi
Det er mange typer potensiell energi. Blant disse energiformene er:
Mekanisk potensiell energi:Også kjent som gravitasjonspotensial energi, eller GPE, refererer dette til energi lagret av enobjektets posisjon i forhold til et gravitasjonsfelt, slik som det nær jordens overflate.
For eksempel har en bok som sitter øverst på en hylle potensialet til å falle ned på grunn av tyngdekraften. Jo høyere det er i forhold til bakken - og dermed i forhold til jorden, kilden til gravitasjonsfeltet - jo lenger fall har den potensialet til å krysse. Mer om dette senere.
Kjemisk potensiell energi:Energi lagret i molekylære bindinger er kjemisk energi. Den kan frigjøres og transformeres til kinetisk energi ved å bryte bindinger.Derfor, jo flere bindinger i et molekyl, jo mer potensiell energi inneholder det.
For eksempel, når spiser mat, fordøyelsesprosessen bryter ned molekyler av fett, proteiner, karbohydrater eller aminosyrer slik at kroppen kan bruke den energien til å bevege seg. Fordi fett er det lengste av de molekylene med flest bånd mellom atomer, lagrer de mest energi.
Tilsvarende inneholder stokkene som brukes i et bål, kjemisk potensiell energi som frigjøres når de brennes og bindingen mellom molekyler i treet brytes. Alt som krever en kjemisk reaksjon for å "gå" - inkludert bruk av batterier eller forbrenning av bensin i en bil - inneholder kjemisk potensiell energi.
Elastisk potensiell energi:Denne formen for potensiell energi er energien som er lagret i deformasjonen av et objekt fra sin normale form. Når en gjenstand strekkes eller komprimeres fra sin opprinnelige form - si et gummibånd trukket ut eller en fjær holdt i en tett spole - har denpotensiellå springe eller sprette tilbake når du blir løslatt. Eller en squishy sofa pute er presset med avtrykk av noen som sitter på den, slik at når de står, avtrykket sakte stiger tilbake til sofaen ser ut som den gjorde før de satt.
Kjernekraftpotensial energi:Mye potensiell energi lagres av atomkreftene som holder atomene sammen. For eksempel den sterke kjernekraften inne i en kjerne som holder protonene og nøytronene på plass. Dette er grunnen til at det er så vanskelig å dele atomene, en prosess som bare skjer i atomreaktorer, partikkelakseleratorer, sentrene til stjerner eller andre situasjoner med høy energi.
For ikke å forveksle med kjemisk potensiell energi, lagres kjernekraft potensiell energiinne i individuelle atomer. Som navnet sier, representerer atombomber en av menneskehetens mest aggressive anvendelser av kjernekraftpotensial.
Elektrisk potensiell energi:Denne energien lagres ved å holde elektriske ladninger i en bestemt konfigurasjon. For eksempel når en genser som har mange oppbygde negative ladninger bringes nær en positiv eller nøytral gjenstand, har denpotensiellå forårsake bevegelse ved å tiltrekke seg positive ladninger og frastøte andre negative ladninger.
Enhver enkelt ladet partikkel som holdes på plass i et elektrisk felt har også elektrisk potensiell energi. Dette eksemplet er analogt med gravitasjonspotensialenergi ved at ladningens posisjon i forhold til det elektriske feltet er hva bestemmer mengden potensiell energi, akkurat som et objekts posisjon i forhold til gravitasjonsfeltet bestemmer dets GPE.
Gravitasjon Potensiell Energiformel
Gravitasjonspotensial energi, eller GPE, er en av de få energityper som gymnasistiske fysikstudenter vanligvis utfører beregninger for (andre er lineær og rotasjonskinetisk energi). Det skyldes gravitasjonskraften. Variablene som påvirker hvor mye GPE et objekt har, er massem,akselerasjonen på grunn av tyngdekrafteng, og høydeh.
GPE = mgh
Hvor GPE måles i joule (J), masse i kg (kg), akselerasjon på grunn av tyngdekraften i meter per sekund per sekund (m / s2) og høyde i meter (m).
Legg merke til at på jorden,gbehandles som alltid lik 9,8 m / s2. Andre steder der Jorden ikke er den lokale kilden til gravitasjonsakselerasjon, for eksempel på andre planeter,ghar andre verdier.
Formelen for GPE innebærer at jo mer massiv et objekt er eller jo høyere det er plassert, jo mer potensiell energi inneholder det. Dette forklarer i sin tur hvorfor en krone som falt fra toppen av en bygning vil gå mye raskere i bunnen enn en som falt fra en persons lomme rett over fortauet. (Dette er også en illustrasjon av bevaring av energi: når objektet faller, dets potensielle energi avtar, så den kinetiske energien må øke med samme mengde for at den totale energien skal forbli konstant.)
Å starte i høyere høyde betyr at øre vil akselerere nedover over lengre distanse, noe som resulterer i raskere hastighet ved slutten av turen. Eller for å fortsette å bevege seg over lengre avstand, må øre på taket ha startet med mer potensiell energi, som GPE-formelen kvantifiserer.
GPE-eksempel
Rangér følgende objekter fra potensiell energi til mest gravitasjonspotensial:
- En kvinne på 50 kg på toppen av en 3 m stige
- En bevegelig boks på 30 kg på toppen av en 10 m landing
- En vektstang på 250 kg holdt 0,5 m over hodet til en kraftløfter
For å sammenligne disse, beregne GPE for hver situasjon ved hjelp av formelen GPE = mgh.
- Kvinne GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1.617 J
- Flytteboks GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2 940 J
- Vektstang GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1470 J
Så, fra mest til minst GPE, er ordren: flytteske, kvinne, vektstang.
Merk at, matematisk, siden alle objektene var på jorden og hadde samme verdi forgHvis du lar dette nummeret være ute, vil det fremdeles føre til riktig rekkefølge (men å gjøre det ville detikkegi de faktiske mengdene energi i joule!).
Tenk i stedet at bevegelsesboksen var på Mars i stedet for jorden. På Mars er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften omtrent en tredjedel av den som er på jorden. Det betyr at bevegelsesboksen vil ha omtrent en tredjedel av GPE-mengden på Mars på 10 m høy, eller 980 J.