У всех студентов-физиков есть потенциал, то есть потенциальная энергия. Но те, кто найдет время, чтобы определить, что это означает с точки зрения физики, будут иметьбольше потенциалавлиять на мир вокруг них, чем те, кто этого не делает. По крайней мере, они смогут сознательно ответить ворчащему взрослому с шуткой в виде интернет-мема: «Я не ленив, меня переполняет потенциальная энергия».
Что такое потенциальная энергия?
Поначалу концепция потенциальной энергии может показаться запутанной. Но короче говоря, вы можете думать о потенциальной энергии как о накопленной энергии. Он имеетпотенциалтрансформироваться в движение и что-то происходить, например, аккумулятор, который еще не подключен, или тарелка спагетти, которую бегун собирается съесть в ночь перед гонкой.
Потенциальная энергия - одна из трех широких категорий энергии Вселенной. Два других - это кинетическая энергия, которая представляет собой энергию движения, и тепловая энергия, которая представляет собой особый, одноразовый тип кинетической энергии.
Без потенциальной энергии невозможно сохранить энергию для дальнейшего использования. К счастью, существует много потенциальной энергии, и она постоянно преобразуется между собой и кинетической энергией, заставляя происходить разные вещи.
При каждом преобразовании некоторая потенциальная и кинетическая энергия превращается в тепловую энергию, также известную как тепло. В конце концов, вся энергия Вселенной будет преобразована в тепловую, и она испытает «тепловую смерть», когда больше не будет потенциальной энергии. Но до того далекого будущего потенциальная энергия будет держать возможности для действий открытыми.
Единицей измерения потенциальной энергии в системе СИ является джоуль, где 1 джоуль = 1 (ньютон) (метр).
Типы и примеры потенциальной энергии
Есть много видов потенциальной энергии. Среди этих форм энергии:
Механическая потенциальная энергия:Также известная как гравитационная потенциальная энергия или GPE, это относится к энергии, запасеннойположение объекта относительно гравитационного поля, например, у поверхности Земли.
Например, книга, лежащая наверху полки, может упасть под действием силы тяжести. Чем выше он по отношению к земле - и, следовательно, по отношению к Земле, источнику гравитационного поля - тем дольше он может пройти через падение. Подробнее об этом позже.
Химическая потенциальная энергия:Энергия, хранящаяся в молекулярных связях, - это химическая энергия. Его можно высвободить и преобразовать в кинетическую энергию, разорвав связи.Следовательно, чем больше связей в молекуле, тем больше потенциальной энергии она содержит.
Например, при употреблении пищи процесс пищеварения расщепляет молекулы жиров, белков, углеводов или аминокислот, чтобы организм мог использовать эту энергию для движения. Поскольку жиры - самые длинные из молекул с наибольшим количеством связей между атомами, они хранят наибольшее количество энергии.
Точно так же поленья, используемые для разведения костра, содержат потенциальную химическую энергию, которая высвобождается, когда они горят, и связи между молекулами в древесине разрываются. Все, что требует химической реакции, в том числе использование батарей или сжигание бензина в автомобиле, содержит потенциальную химическую энергию.
Упругая потенциальная энергия:Эта форма потенциальной энергии - это энергия, запасенная при деформации объекта от его нормальной формы. Когда объект растягивается или сжимается от своей первоначальной формы - скажем, вытягивается резинка или пружина, скрученная в тугую спираль, - у него естьпотенциалотпрыгивать или приходить в норму при отпускании. Или на мягкую подушку дивана вдавливается отпечаток сидящего на ней человека, так что, когда они встают, отпечаток медленно поднимается назад, пока диван не станет таким, каким он был до того, как они сели.
Ядерная потенциальная энергия:Много потенциальной энергии хранят ядерные силы, удерживающие атомы вместе. Например, сильная ядерная сила внутри ядра, удерживающая протоны и нейтроны на месте. Вот почему так сложно расщеплять атомы - процесс, который происходит только в ядерных реакторах, ускорителях частиц, центрах звезд или других ситуациях с высокой энергией.
Не путать с химической потенциальной энергией, ядерная потенциальная энергия сохраняется.внутри отдельных атомов. Как следует из названия, атомные бомбы представляют собой одно из наиболее агрессивных способов использования человечеством потенциальной ядерной энергии.
Электрическая потенциальная энергия:Эта энергия сохраняется за счет удержания электрических зарядов в определенной конфигурации. Например, когда свитер с большим количеством накопленных отрицательных зарядов приближается к положительному или нейтральному объекту, он имеетпотенциалвызвать движение, притягивая положительные заряды и отталкивая другие отрицательные заряды.
Любая заряженная частица, удерживаемая в электрическом поле, также обладает электрической потенциальной энергией. Этот пример аналогичен гравитационной потенциальной энергии в том, что положение заряда по отношению к электрическому полю таково, как определяет количество его потенциальной энергии, точно так же, как положение объекта по отношению к гравитационному полю определяет его GPE.
Формула гравитационной потенциальной энергии
Гравитационная потенциальная энергия, или GPE, является одним из немногих типов энергии, для которых школьники-физики обычно проводят вычисления (другие - линейная и вращательная кинетическая энергия). Это происходит из-за силы тяжести. Переменные, которые влияют на то, сколько GPE имеет объект, - это масса.м,ускорение свободного паденияграмм, и высотачас
GPE = mgh
Где GPE измеряется в джоулях (Дж), масса - в килограммах (кг), ускорение свободного падения - в метрах в секунду в секунду (м / с2) и высоту в метрах (м).
Обратите внимание, что на Землеграммсчитается как всегда равным 9,8 м / с2. В других местах, где Земля не является локальным источником гравитационного ускорения, например, на других планетах,граммимеет другие значения.
Формула GPE подразумевает, что чем массивнее объект или чем выше он расположен, тем больше потенциальной энергии он содержит. Это, в свою очередь, объясняет, почему пенни, упавший с вершины здания, движется вниз намного быстрее, чем монета, упавшая из кармана человека прямо над тротуаром. (Это также иллюстрация сохранения энергии: когда объект падает, его потенциальная энергия уменьшается, поэтому его кинетическая энергия должна увеличиться на ту же величину, чтобы общая энергия оставалась постоянный.)
Начиная с более высокой высоты, монета будет ускоряться вниз на более длинном расстоянии, что приведет к увеличению скорости к концу поездки. Или, чтобы продолжить движение на большее расстояние, копейка на крыше должна была начинаться с большей потенциальной энергии, которую количественно определяет формула GPE.
Пример GPE
Оцените следующие объекты в порядке убывания потенциальной энергии гравитации:
- Женщина весом 50 кг наверху 3-метровой лестницы
- Движущийся ящик весом 30 кг наверху 10-метровой площадки.
- Штанга 250 кг, удерживаемая на 0,5 м над головой спортсмена.
Чтобы сравнить их, рассчитайте GPE для каждой ситуации, используя формулу GPE = mgh.
- Женщина GPE = (55 кг) (9,8 м / с2) (3 м) = 1,617 Дж
- Подвижная коробка GPE = (30 кг) (9,8 м / с2) (10 м) = 2940 Дж
- GPE штанги = (250 кг) (9,8 м / с2) (0,5 м) = 1470 Дж
Итак, от наибольшего к наименьшему GPE порядок следующий: движущийся ящик, женщина, штанга.
Обратите внимание, что математически, поскольку все объекты находились на Земле и имели одинаковое значение дляграмм, если не указывать это число, это все равно приведет к правильному порядку (но это приведет кнетдайте фактическое количество энергии в джоулях!).
Вместо этого представьте, что движущийся ящик находился на Марсе, а не на Земле. На Марсе ускорение свободного падения примерно в три раза меньше, чем на Земле. Это означает, что в движущемся ящике будет около одной трети количества GPE на Марсе на высоте 10 м, или 980 Дж.