Потенциальная энергия звучит так, как будто это просто энергия, которая не реализовалась, и думать о ней таким образом может убаюкивать вас, заставляя поверить в то, что это нереально. Однако стойте под сейфом, подвешенным на высоте 30 футов над землей, и ваше мнение может измениться. У сейфа есть потенциальная энергия из-за силы тяжести, и если бы кто-то перерезал удерживающую его веревку, эта энергия перевернулась бы. в кинетическую энергию, и к тому времени, когда сейф достигнет вас, у него будет достаточно «актуализированной» энергии, чтобы дать вам расщепление Головная боль.
Лучшее определение потенциальной энергии - это запасенная энергия, и для ее хранения требуется «работа». В физике есть особое определение работы - работа выполняется, когда сила перемещает объект на расстояние. Работа связана с энергией. Он измеряется в джоулях в системе СИ, которые также являются единицами потенциальной и кинетической энергии. Чтобы преобразовать работу в потенциальную энергию, вы должны действовать против определенного типа силы, а их несколько. Сила может быть гравитацией, пружиной или электрическим полем. Характеристики силы определяют количество потенциальной энергии, которую вы накапливаете, работая против нее.
Формула потенциальной энергии для гравитационного поля Земли
Принцип работы гравитации заключается в том, что два тела притягиваются друг к другу, но все на Земле настолько мало по сравнению с самой планетой, что только гравитационное поле Земли имеет значение. Если поднять тело (м) над землей, это тело испытывает силу, которая заставляет его ускоряться по направлению к земле. Величина силы (F), согласно 2-му закону Ньютона, дается выражением F = мг, где грамм - это ускорение свободного падения, которое является постоянным повсюду на Земле.
Допустим, вы поднимаете туловище на высоту час. Объем работы, который вы делаете для этого, равен сила × расстояние, или mgh. Эта работа сохраняется в виде потенциальной энергии, поэтому уравнение потенциальной энергии для гравитационного поля Земли просто:
Гравитационная потенциальная энергия = mgh
Упругая потенциальная энергия
Пружины, резинки и другие эластичные материалы могут накапливать энергию, что, по сути, происходит, когда вы натягиваете лук прямо перед выстрелом из стрелы. Когда вы растягиваете или сжимаете пружину, она оказывает противоположную силу, действующую, чтобы вернуть пружину в исходное положение. положение равновесия Величина силы пропорциональна расстоянию, на которое вы растягиваете или сжимаете Это (Икс). Константа пропорциональности (k) характерна для весны. Согласно закону Гука, F = −kx. Знак минус указывает на возвращающую силу пружины, которая действует в направлении, противоположном тому, которое ее растягивает или сжимает.
Чтобы рассчитать потенциальную энергию, запасенную в эластичном материале, вы должны признать, что сила увеличивается по мере того, как Икс увеличивается. Однако на бесконечно малом расстоянии F постоянно. Суммируя силы всех бесконечно малых расстояний между 0 (равновесие) и окончательным растяжением или сжатием Икс, вы можете рассчитать проделанную работу и запасенную энергию. Этот процесс суммирования представляет собой математический метод, называемый интегрированием. Он дает формулу потенциальной энергии для эластичного материала:
Потенциальная энергия = kx2/2
где Икс это расширение и k - жесткость пружины.
Электрический потенциал или напряжение
Подумайте о перемещении положительного заряда q в электрическом поле, созданном большим положительным зарядом Q. Из-за сил электрического отталкивания требуется работа, чтобы переместить меньший заряд ближе к большему. Согласно закону Кулона сила между зарядами в любой точке равна kqQ/р2, где р расстояние между ними. В таком случае, k - постоянная Кулона, а не постоянная пружины. Физики обозначают их обоих k. Вы рассчитываете потенциальную энергию, учитывая работу, необходимую для перемещения q бесконечно далеко от Q на расстояние р. Это дает уравнение электрической потенциальной энергии:
Электрическая потенциальная энергия = kqQ/р
Электрический потенциал немного отличается. Это количество энергии, запасенной на единицу заряда, и оно известно как напряжение, измеряемое в вольтах (джоулях / кулонах). Уравнение для электрического потенциала или напряжения, создаваемого зарядом Q На расстоянии р является:
Электрический потенциал = kQ/р