Toți studenții la fizică au potențial - energie potențială, adică. Dar vor avea cei care își iau timpul pentru a determina ce înseamnă asta în termeni de fizicămai mult potențialsă afecteze lumea din jurul lor decât cei care nu. Cel puțin, vor fi capabili să răspundă cu bună știință unui adult copleșitor, cu un ștampil de meme pe internet: „Nu sunt leneș, sunt plin de energie potențială”.
Ce este energia potențială?
Conceptul de energie potențială ar putea părea confuz la început. Dar pe scurt, vă puteți gândi la energia potențială ca la energie stocată. Arepotenţialsă se transforme în mișcare și să facă ceva să se întâmple, cum ar fi o baterie care nu este încă conectată sau o farfurie de spaghete pe care un alergător este pe cale să o mănânce în noaptea dinaintea cursei.
Energia potențială este una dintre cele trei mari categorii de energie găsite în univers. Celelalte două sunt energia cinetică, care este energia mișcării, și energia termică, care este un tip special de energie cinetică, care nu poate fi refolosită.
Fără energie potențială, nicio energie nu ar putea fi economisită pentru o utilizare ulterioară. Din fericire, există o mulțime de energie potențială și se transformă în mod constant înainte și înapoi între ea și energia cinetică, făcând ca lucrurile să se întâmple.
Cu fiecare transformare, o anumită energie potențială și cinetică se transformă în energie termică, cunoscută și sub denumirea de căldură. În cele din urmă, toată energia universului va fi convertită în energie termică și va experimenta „moartea prin căldură”, atunci când nu mai există energie potențială. Dar până la acel viitor îndepărtat, energia potențială va menține deschise posibilitățile de acțiune.
Unitatea SI pentru energia potențială și orice energie pentru această materie este joul, unde 1 jule = 1 (newton) (metru).
Tipuri și exemple de energie potențială
Există multe tipuri de energie potențială. Printre aceste forme de energie se numără:
Energie potențială mecanică:Cunoscută și sub numele de energie potențială gravitațională sau GPE, aceasta se referă la energia stocată de unpoziția obiectului în raport cu un câmp gravitațional, cum ar fi cel de lângă suprafața Pământului.
De exemplu, o carte așezată în partea de sus a unui raft are potențialul de a cădea din cauza forței gravitaționale. Cu cât este mai mare în raport cu solul - și, prin urmare, în raport cu Pământul, sursa câmpului gravitațional - cu atât este mai lungă o cădere pe care are potențialul să o traverseze. Mai multe despre asta mai târziu.
Energie potențială chimică:Energia stocată în legături moleculare este energie chimică. Poate fi eliberat și transformat în energie cinetică prin ruperea legăturilor.Prin urmare, cu cât sunt mai multe legături într-o moleculă, cu atât conține mai multă energie potențială.
De exemplu, atunci când mănânci alimente, procesul de digestie descompune moleculele de grăsimi, proteine, carbohidrați sau aminoacizi, astfel încât organismul să poată folosi acea energie pentru a se mișca. Deoarece grăsimile sunt cele mai lungi dintre acele molecule cu cele mai multe legături între atomi, ele stochează cea mai mare energie.
În mod similar, buștenii folosiți într-un foc de tabără conțin energie potențială chimică care este eliberată atunci când sunt arși și legăturile dintre moleculele din lemn sunt rupte. Orice lucru care necesită o reacție chimică pentru a "merge" - inclusiv utilizarea bateriilor sau arderea benzinei într-o mașină - conține energie potențială chimică.
Energie potențială elastică:Această formă de energie potențială este energia stocată în deformarea unui obiect din forma sa normală. Când un obiect este întins sau comprimat de la forma sa originală - să spunem o bandă de cauciuc scoasă sau un arc ținut într-o bobină strânsă - arepotenţialsă iasă sau să revină atunci când este eliberat. Sau, o pernă de canapea squishy este apăsată cu amprenta cuiva așezat pe ea, astfel încât, atunci când stau în picioare, amprenta se ridică încet înapoi până când canapeaua arată așa cum a făcut-o înainte de a sta.
Energie potențială nucleară:O mulțime de energie potențială este stocată de forțele nucleare care țin atomi împreună. De exemplu, forța nucleară puternică din interiorul unui nucleu care ține protoni și neutroni la locul lor. Acesta este motivul pentru care este atât de greu să împărțiți atomii, un proces care se întâmplă doar în reactoarele nucleare, acceleratoarele de particule, centrele stelelor sau alte situații cu energie ridicată.
Nu trebuie confundat cu energia potențială chimică, energia potențială nucleară este stocatăîn interiorul atomilor individuali. După cum spune numele lor, bombele atomice reprezintă una dintre cele mai agresive utilizări ale umanității a energiei potențiale nucleare.
Energie potențială electrică:Această energie este stocată prin reținerea încărcăturilor electrice într-o anumită configurație. De exemplu, atunci când un pulover care are o mulțime de sarcini negative acumulate este apropiat de un obiect pozitiv sau neutru, acesta arepotenţialsă provoace mișcare prin atragerea de sarcini pozitive și respingerea altor sarcini negative.
Orice particulă încărcată ținută pe loc într-un câmp electric are, de asemenea, energie electrică potențială. Acest exemplu este analog cu energia potențială gravitațională, deoarece poziția sarcinii în raport cu câmpul electric este ceea ce determină cantitatea de energie potențială, la fel cum poziția unui obiect în raport cu câmpul gravitațional îi determină GPE.
Formula energiei potențiale gravitaționale
Energia potențială gravitațională sau GPE este unul dintre puținele tipuri de energie pentru care elevii de fizică din liceu efectuează de obicei calcule (altele sunt energie cinetică liniară și de rotație). Rezultă din forța gravitațională. Variabilele care afectează cât de mult GPE are un obiect sunt masam,accelerația datorată gravitațieig, și înălțimeh.
GPE = mgh
În cazul în care GPE se măsoară în jouli (J), masa în kilograme (kg), accelerația datorată gravitației în metri pe secundă pe secundă (m / s2) și înălțimea în metri (m).
Rețineți că pe Pământ,geste tratat ca întotdeauna egal cu 9,8 m / s2. În alte locații în care Pământul nu este sursa locală de accelerație gravitațională, cum ar fi pe alte planete,gare alte valori.
Formula pentru GPE implică faptul că cu cât un obiect este mai masiv sau cu cât este plasat mai sus, cu atât conține mai multă energie potențială. Acest lucru, la rândul său, explică de ce un bănuț scăpat din partea de sus a unei clădiri va merge mult mai repede în partea inferioară decât unul scăpat din buzunarul unei persoane chiar deasupra trotuarului. (Aceasta este, de asemenea, o ilustrare a conservării energiei: pe măsură ce obiectul cade, energia sa potențială scade, deci energia sa cinetică trebuie să crească cu aceeași cantitate pentru ca energia totală să rămână constant.)
Începând cu o înălțime mai mare înseamnă că bănuțul va accelera în jos pe o distanță mai mare, rezultând o viteză mai mare până la sfârșitul călătoriei. Sau, pentru a continua să vă mișcați pe o distanță mai mare, bănuțul de pe acoperiș trebuie să fi început cu mai multă energie potențială, pe care o calculează formula GPE.
Exemplu GPE
Plasați următoarele obiecte de la cea mai mare la cea mai mică energie potențială gravitațională:
- O femeie de 50 kg în vârful unei scări de 3 m
- O cutie mobilă de 30 kg în partea de sus a unei aterizări de 10 m
- O bară de 250 kg ținută la 0,5 m deasupra capului unui elevator
Pentru a le compara, calculați GPE pentru fiecare situație folosind formula GPE = mgh.
- Femeie GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1.617 J
- Cutie mobilă GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2.940 J
- Bilan GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1.470 J
Deci, de la cel mai mare la cel mai mic GPE, comanda este: cutie în mișcare, femeie, bara.
Rețineți că, matematic, deoarece toate obiectele erau pe Pământ și aveau aceeași valoare pentrug, lăsând acest număr afară ar rezulta totuși în ordinea corectă (dar dacă ar fi așanudați cantitățile reale de energie în jouli!).
Luați în considerare în schimb că cutia în mișcare se afla pe Marte în loc de Pământ. Pe Marte, accelerația datorată gravitației este de aproximativ o treime față de Pământ. Asta înseamnă că cutia în mișcare ar avea aproximativ o treime din cantitatea de GPE pe Marte la 10 m înălțime, sau 980 J.