Como calcular a energia potencial

A energia potencial soa como se fosse simplesmente energia que não se tornou realidade, e pensar nela assim pode fazer você acreditar que não é real. Fique sob um cofre suspenso a 30 pés acima do solo, porém, e sua opinião pode mudar. O cofre tem energia potencial devido à força da gravidade, e se alguém cortasse a corda que o segura, essa energia giraria em energia cinética, e no momento em que o cofre chegasse até você, ele teria energia "atualizada" suficiente para lhe dar uma divisão dor de cabeça.

Uma melhor definição de energia potencial é energia armazenada e é preciso "trabalho" para armazená-la. A física tem uma definição específica de trabalho - o trabalho é feito quando uma força move um objeto à distância. O trabalho está relacionado à energia. É medido em joules no sistema SI, que também são unidades de energia potencial e cinética. Para converter trabalho em energia potencial, você precisa agir contra um tipo específico de força, e existem vários. A força pode ser gravitação, uma mola ou um campo elétrico. As características da força determinam a quantidade de energia potencial que você armazena trabalhando contra ela.

A forma como a gravitação funciona é que dois corpos se atraem, mas tudo na Terra é tão pequeno em comparação com o próprio planeta que apenas o campo gravitacional da Terra é significativo. Se você levanta um corpo (m) acima do solo, esse corpo experimenta uma força que tende a fazê-lo acelerar em direção ao solo. A magnitude da força (F), da 2ª lei de Newton, é dado por F = mg, Onde g é a aceleração da gravidade, uma constante em toda a Terra.

Suponha que você levante o corpo a uma altura h. A quantidade de trabalho que você faz para conseguir isso é força × distância, ou mgh. Esse trabalho é armazenado como energia potencial, então a equação da energia potencial para o campo gravitacional da Terra é simplesmente:

Energia Potencial Gravitacional = mgh

Molas, elásticos e outros materiais elásticos podem armazenar energia, que é essencialmente o que você faz quando puxa um arco antes de atirar uma flecha. Quando você estica ou comprime uma mola, ela exerce uma força oposta atuando para restaurar a mola ao seu posição de equilíbrio A magnitude da força é proporcional à distância que você estica ou comprime isto (x). A constante de proporcionalidade (k) é característico da primavera. De acordo com a lei de Hooke, F = −kx. O sinal menos indica a força restauradora da mola, que está agindo na direção oposta àquela que a estica ou comprimindo.

Para calcular a energia potencial armazenada em um material elástico, você deve reconhecer que a força fica maior à medida que x aumenta. Para uma distância infinitesimal, entretanto, F é constante. Somando as forças de todas as distâncias infinitesimais entre 0 (equilíbrio) e a extensão ou compressão final x, você pode calcular o trabalho realizado e a energia armazenada. Esse processo de soma é uma técnica matemática chamada integração. Ele produz a fórmula de energia potencial para um material elástico:

Energia potencial = kx²/2

Onde x é a extensão e k é a constante da mola.

Considere mover uma carga positiva q dentro de um campo elétrico gerado por uma carga positiva maior Q. Por causa das forças repulsivas elétricas, dá trabalho mover a carga menor para mais perto da maior. De acordo com a lei de Coulomb, a força entre as cargas em qualquer ponto é kqQ/r², Onde r é a distância entre eles. Nesse caso, k é a constante de Coulomb, não a constante de primavera. Os físicos denotam ambos por k. Você calcula a energia potencial considerando o trabalho necessário para mover q de infinitamente longe de Q à sua distância r. Isso dá a equação de energia potencial elétrica:

Energia Elétrica Potencial = kqQ/r

O potencial elétrico é ligeiramente diferente. É a quantidade de energia armazenada por unidade de carga, conhecida como voltagem, medida em volts (joules / coulomb). A equação para o potencial elétrico ou tensão gerada pela carga Q à distância r é:

Potencial elétrico = kQ/r