Wszyscy studenci fizyki mają potencjał – to znaczy energię potencjalną. Ale ci, którzy poświęcą czas na ustalenie, co to oznacza z punktu widzenia fizyki, będą mieliwiększy potencjałwpływać na otaczający ich świat niż ci, którzy tego nie robią. Przynajmniej będą mogli świadomie odpowiedzieć natrętnemu dorosłemu, żartując z internetowych memów: „Nie jestem leniwy, jestem przepełniony potencjalną energią”.
Co to jest energia potencjalna?
Pojęcie energii potencjalnej może początkowo wydawać się mylące. Krótko mówiąc, możesz myśleć o energii potencjalnej jako o energii zmagazynowanej. Mapotencjałprzekształcić się w ruch i sprawić, by coś się wydarzyło, na przykład akumulator, który nie jest jeszcze podłączony lub talerz spaghetti, który biegacz ma zamiar zjeść w noc przed wyścigiem.
Energia potencjalna jest jedną z trzech szerokich kategorii energii występujących we wszechświecie. Pozostałe dwie to energia kinetyczna, która jest energią ruchu, oraz energia cieplna, która jest specjalnym, jednorazowym rodzajem energii kinetycznej.
Bez energii potencjalnej nie można by oszczędzić energii do późniejszego wykorzystania. Na szczęście istnieje mnóstwo energii potencjalnej, która nieustannie przekształca się między sobą a energią kinetyczną, powodując, że coś się dzieje.
Z każdą transformacją część energii potencjalnej i kinetycznej przekształca się w energię cieplną, zwaną również ciepłem. W końcu cała energia wszechświata zostanie przekształcona w energię cieplną i doświadczy „śmierci cieplnej”, gdy nie będzie już energii potencjalnej. Ale do tej odległej przyszłości energia potencjalna będzie otwierać możliwości działania.
Jednostką SI energii potencjalnej i dowolnej energii w tym przypadku jest dżul, gdzie 1 dżul = 1 (niuton) (metr).
Rodzaje i przykłady energii potencjalnej
Istnieje wiele rodzajów energii potencjalnej. Wśród tych form energii są:
Mechaniczna energia potencjalna:Znany również jako grawitacyjna energia potencjalna lub GPE, odnosi się do energii przechowywanej przezpozycja obiektu względem pola grawitacyjnego, np. w pobliżu powierzchni Ziemi.
Na przykład książka leżąca na górze półki może spaść z powodu siły grawitacji. Im wyżej jest w stosunku do ziemi – a tym samym w stosunku do Ziemi, źródła pola grawitacyjnego – tym dłuższy spadek ma potencjał do przebycia. Więcej o tym później.
Chemiczna energia potencjalna:Energia zmagazynowana w wiązaniach molekularnych to energia chemiczna. Może zostać uwolniony i przekształcony w energię kinetyczną poprzez zerwanie wiązań.Dlatego im więcej wiązań w cząsteczce, tym więcej zawiera ona energii potencjalnej.
Na przykład podczas jedzenia jedzenia proces trawienia rozkłada cząsteczki tłuszczów, białek, węglowodanów lub aminokwasów, aby organizm mógł wykorzystać tę energię do poruszania się. Ponieważ tłuszcze są najdłuższymi z tych cząsteczek, które mają najwięcej wiązań między atomami, przechowują najwięcej energii.
Podobnie, polana używane w ognisku zawierają chemiczną energię potencjalną, która jest uwalniana, gdy są spalane, a wiązania między cząsteczkami w drewnie zostają zerwane. Wszystko, co wymaga reakcji chemicznej, aby „odejść” – w tym używanie baterii lub spalanie benzyny w samochodzie – zawiera chemiczną energię potencjalną.
Elastyczna Energia potencjalna:Ta forma energii potencjalnej to energia zmagazynowana podczas deformacji obiektu z jego normalnego kształtu. Kiedy przedmiot jest rozciągany lub ściśnięty ze swojego pierwotnego kształtu – powiedzmy wyciągnięta gumka lub sprężyna trzymana w ciasnym zwoju – mapotencjałodskoczyć lub odskoczyć po zwolnieniu. Albo miękką poduszkę na kanapie odciska się odciskiem osoby siedzącej na niej, tak że kiedy wstają, odcisk powoli podnosi się do tyłu, aż kanapa wygląda tak, jak przed siadaniem.
Jądrowa energia potencjalna:Dużo energii potencjalnej jest magazynowane przez siły jądrowe utrzymujące atomy razem. Na przykład silne oddziaływanie jądrowe wewnątrz jądra utrzymującego w miejscu protony i neutrony. Dlatego tak trudno jest rozszczepiać atomy, co ma miejsce tylko w reaktorach jądrowych, akceleratorach cząstek, centrach gwiazd lub innych sytuacjach o wysokiej energii.
Nie mylić z chemiczną energią potencjalną, jądrowa energia potencjalna jest magazynowanawewnątrz pojedynczych atomów. Jak sama nazwa wskazuje, bomby atomowe stanowią jedno z najbardziej agresywnych zastosowań potencjalnej energii jądrowej przez ludzkość.
Elektryczna energia potencjalna:Energia ta jest magazynowana poprzez utrzymywanie ładunków elektrycznych w określonej konfiguracji. Na przykład, gdy sweter, który ma dużo nagromadzonych ładunków ujemnych, zostanie zbliżony do przedmiotu dodatniego lub neutralnego, mapotencjałwywoływać ruch poprzez przyciąganie ładunków dodatnich i odpychanie innych ładunków ujemnych.
Każda pojedyncza naładowana cząstka utrzymywana w polu elektrycznym ma również elektryczną energię potencjalną. Ten przykład jest analogiczny do grawitacyjnej energii potencjalnej pod tym względem, że pozycja ładunku w stosunku do pola elektrycznego jest taka określa jego ilość energii potencjalnej, podobnie jak położenie obiektu w stosunku do pola grawitacyjnego określa jego GPE.
Formuła Grawitacyjnej Energii Potencjalnej
Energia potencjalna grawitacji (GPE) jest jednym z nielicznych rodzajów energii, dla których uczniowie szkół średnich zazwyczaj wykonują obliczenia (inne to energia kinetyczna liniowa i obrotowa). Wynika to z siły grawitacji. Zmienne, które wpływają na ilość GPE w obiekcie, to masam,przyspieszenie grawitacyjnesoli wzrostgodz.
GPE=mgh
Gdzie GPE jest mierzony w dżulach (J), masa w kilogramach (kg), przyspieszenie grawitacyjne w metrach na sekundę na sekundę (m/s2) i wysokość w metrach (m).
Zauważ, że na Ziemisoljest traktowany jako zawsze równy 9,8 m/s2. W innych miejscach, w których Ziemia nie jest lokalnym źródłem przyspieszenia grawitacyjnego, na przykład na innych planetach,solma inne wartości.
Wzór na GPE sugeruje, że im bardziej masywny jest obiekt lub im wyżej jest umieszczony, tym więcej zawiera w sobie energii potencjalnej. To z kolei wyjaśnia, dlaczego grosz upuszczony ze szczytu budynku będzie leciał znacznie szybciej na dole niż ten upuszczony z kieszeni osoby tuż nad chodnikiem. (Jest to również ilustracja zachowania energii: gdy obiekt spada, jego energia potencjalna) maleje, więc jego energia kinetyczna musi wzrosnąć o tę samą wartość, aby pozostała energia całkowita stały.)
Rozpoczęcie na większej wysokości oznacza, że grosz przyspieszy w dół na dłuższym dystansie, co spowoduje większą prędkość pod koniec podróży. Lub, aby poruszać się na dłuższym dystansie, grosz na dachu musiał zacząć się z większą energią potencjalną, którą określa ilościowo wzór GPE.
Przykład GPE
Uszereguj następujące obiekty od największej do najmniejszej grawitacyjnej energii potencjalnej:
- 50-kilogramowa kobieta na szczycie 3-metrowej drabiny
- 30-kilogramowa skrzynia ruchoma na szczycie 10-metrowego podestu
- Sztanga o wadze 250 kg trzymana 0,5 m nad głową trójboju siłowego
Aby je porównać, oblicz GPE dla każdej sytuacji, korzystając ze wzoru GPE = mgh.
- Kobieta GPE = (55 kg) (9,8 m/s2)(3 m) = 1,617 J
- Przenośna skrzynia GPE = (30 kg) (9,8 m/s2)(10 m) = 2940 J
- GPE ze sztangą = (250 kg) (9,8 m/s2)(0,5 m) = 1470 J
Tak więc, od większości do najmniej GPE kolejność to: przenoszenie pudełka, kobieta, sztanga.
Zauważ, że matematycznie, ponieważ wszystkie obiekty znajdowały się na Ziemi i miały tę samą wartość dlasol, pominięcie tej liczby nadal skutkowałoby prawidłową kolejnością (ale zrobienie tego spowodujeniepodaj rzeczywistą ilość energii w dżulach!).
Rozważmy zamiast tego, że poruszające się pudełko znajdowało się na Marsie, a nie na Ziemi. Na Marsie przyspieszenie grawitacyjne wynosi w przybliżeniu jedną trzecią tego, co na Ziemi. Oznacza to, że poruszające się pudełko miałoby około jednej trzeciej ilości GPE na Marsie na wysokości 10 m, czyli 980 J.
