Hvordan beregne potensiell energi

Potensiell energi høres ut som om det bare er energi som ikke har blitt aktualisert, og det å tenke på det kan forstyrre deg til å tro at det ikke er ekte. Stå under et trygt hengende 30 meter over bakken, skjønt, og din mening kan endres. Safe har potensiell energi på grunn av tyngdekraften, og hvis noen skulle kutte tauet som holder den, ville den energien snu inn i kinetisk energi, og når safen nådde deg, ville den ha nok "aktualisert" energi til å gi deg en splitting hodepine.

En bedre potensiell energidefinisjon er lagret energi, og det tar "arbeid" å lagre energien. Fysikk har en spesifikk definisjon av arbeid - arbeid utføres når en kraft beveger et objekt over en avstand. Arbeid er relatert til energi. Det måles i joule i SI-systemet., Som også er potensielle og kinetiske energienheter. For å konvertere arbeid til potensiell energi, må du handle mot en bestemt type kraft, og det er flere. Kraften kan være gravitasjon, en fjær eller et elektrisk felt. Kreftens egenskaper bestemmer mengden potensiell energi du lagrer ved å gjøre arbeid mot den.

Måten gravitasjon fungerer på er at to kropper tiltrekker seg hverandre, men alt på jorden er så lite sammenlignet med selve planeten at bare jordens gravitasjonsfelt er betydelig. Hvis du løfter en kropp (m) over bakken, opplever kroppen en kraft som har en tendens til å få den til å akselerere mot bakken. Styrken på kraften (F), fra Newtons 2. lov, er gitt av F = mg, hvor g er akselerasjonen på grunn av tyngdekraften, som er en konstant overalt på jorden.

Anta at du løfter kroppen til en høyde h. Mengden arbeid du gjør for å oppnå dette er kraft × avstand, eller mgh. Det arbeidet blir lagret som potensiell energi, så den potensielle energilikningen for jordens gravitasjonsfelt er ganske enkelt:

Gravitasjonspotensial energi = mgh

Fjærer, gummibånd og andre elastiske materialer kan lagre energi, og det er egentlig det du gjør når du trekker tilbake en bue rett før du skyter en pil. Når du strekker eller komprimerer en fjær, utøver den en motsatt kraft som virker for å gjenopprette våren likevektsposisjon Kraftens størrelse er proporsjonal med avstanden du strekker eller komprimerer det (x). Proportionalitetskonstanten (k) er karakteristisk for våren. I følge Hookes lov, F = −kx. Minustegnet indikerer fjæringens gjenopprettingskraft, som virker i motsatt retning av den som strekker eller komprimerer den.

For å beregne den potensielle energien som er lagret i et elastisk materiale, må du erkjenne at kraften blir større som x øker. For en uendelig liten avstand er F imidlertid konstant. Ved å oppsummere kreftene til alle uendelige dimensjoner mellom 0 (likevekt) og den endelige utvidelsen eller kompresjonen x, kan du beregne utført arbeid og energien som er lagret. Denne summeringsprosessen er en matematisk teknikk som kalles integrasjon. Den produserer den potensielle energiformelen for et elastisk materiale:

Potensiell energi = kx²/2

hvor x er utvidelsen og k er vårkonstant.

Vurder å flytte en positiv ladning q innenfor et elektrisk felt generert av en større positiv ladning Spørsmål. På grunn av elektriske frastøtende krefter, tar det arbeid å flytte den mindre ladningen nærmere den større. I følge Coulombs lov er styrken mellom anklagene når som helst kqQ/r², hvor r er avstanden mellom dem. I dette tilfellet, k er Coulombs konstant, ikke vårkonstant. Fysikere betegner begge med k. Du beregner den potensielle energien ved å vurdere arbeidet som trengs for å flytte q fra uendelig langt fra Spørsmål til sin avstand r. Dette gir den elektriske potensielle energilikningen:

Elektrisk potensiell energi = kqQ/r

Elektrisk potensial er litt annerledes. Det er mengden lagret energi per enhetslading, og den er kjent som spenning, måling i volt (joule / coulomb). Ligningen for det elektriske potensialet eller spenningen som genereres av ladningen Spørsmål på avstand r er:

Elektrisk potensial = kQ/r