Všetci študenti fyziky majú potenciál - to znamená potenciálnu energiu. Ale tí, ktorí si nájdu čas a určia, čo to znamená z hľadiska fyziky, budú maťväčší potenciálovplyvňovať svet okolo seba ako tých, ktorí to nerobia. Prinajmenšom budú vedieť vedome odpovedať dotieravému dospelému človeku pomocou internetového memu: „Nie som lenivý, prekypujem potenciálnou energiou.“
Čo je to potenciálna energia?
Koncept potenciálnej energie sa na prvý pohľad môže zdať mätúci. Ale skrátka, potenciálnu energiu si môžete predstaviť ako uloženú energiu. Má topotenciálpremeniť sa na pohyb a uskutočniť niečo, napríklad batériu, ktorá ešte nie je pripojená, alebo tanier špagiet, ktoré sa bežec chystá zjesť večer pred pretekmi.
Potenciálna energia je jednou z troch širokých kategórií energie nachádzajúcich sa vo vesmíre. Ďalšie dve sú kinetická energia, ktorá je energiou pohybu, a tepelná energia, ktorá je zvláštnym, opakovane nepoužiteľným typom kinetickej energie.
Bez potenciálnej energie by sa nemohla ušetriť energia pre neskoršie použitie. Našťastie existuje veľa potenciálnej energie a neustále premieňa tam a späť medzi sebou a kinetickou energiou, vďaka čomu sa veci dejú.
Pri každej transformácii sa nejaká potenciálna a kinetická energia transformuje na tepelnú energiu, známu tiež ako teplo. Nakoniec sa všetka energia vesmíru premení na tepelnú energiu a zažije „smrť teplom“, keď už nebude existovať žiadna potenciálna energia. Ale až do ďalekej budúcnosti bude potenciálna energia udržiavať otvorené otvorené možnosti pre konanie.
Jednotkou SI pre potenciálnu energiu a ľubovoľnú pre energiu z tejto oblasti je joule, kde 1 joule = 1 (newton) (meter).
Typy a príklady potenciálnej energie
Existuje veľa druhov potenciálnej energie. Medzi tieto formy energie patria:
Mechanická potenciálna energia:Tiež známa ako gravitačná potenciálna energia alebo GPE, označuje energiu uloženú pomocoupoloha objektu vo vzťahu k gravitačnému poľu, napríklad v blízkosti zemského povrchu.
Napríklad kniha sediaca v hornej časti police má potenciál spadnúť kvôli gravitačnej sile. Čím vyššia je vo vzťahu k zemi - a teda vo vzťahu k Zemi, zdroju gravitačného poľa -, tým dlhší je pokles, ktorý má potenciál prekonať. Viac o tom neskôr.
Chemická potenciálna energia:Energia uložená v molekulárnych väzbách je chemická energia. Môže sa uvoľniť a transformovať na kinetickú energiu prerušením väzieb.Preto čím viac väzieb v molekule, tým viac potenciálnej energie obsahuje.
Napríklad pri konzumácii jedla proces trávenia štiepi molekuly tukov, bielkovín, sacharidov alebo aminokyselín, aby telo mohlo využiť túto energiu na pohyb. Pretože tuky sú najdlhšie z tých molekúl s najväčším počtom väzieb medzi atómami, ukladajú najviac energie.
Podobne polená použité pri táboráku obsahujú chemickú potenciálnu energiu, ktorá sa uvoľňuje pri horení a porušujú sa väzby medzi molekulami v dreve. Všetko, čo si vyžaduje „chemickú reakciu“, vrátane „použitia batérií alebo spaľovania benzínu v automobile“, obsahuje chemickú potenciálnu energiu.
Elastická potenciálna energia:Táto forma potenciálnej energie je energia uložená v deformácii objektu z jeho normálneho tvaru. Keď je predmet natiahnutý alebo stlačený z pôvodného tvaru - povedzme vytiahnutá gumička alebo pružina držaná v pevnej cievke - mápotenciálpo uvoľnení odpružiť alebo sa odraziť späť. Alebo je vankúšik gauča na gauči stlačený odtlačkom niekoho, kto na ňom sedí, takže keď stojí, odtlačok pomaly stúpa dozadu, až kým gauč nevyzerá tak, ako vyzeral predtým, ako si sadli.
Jadrová potenciálna energia:Veľa potenciálnej energie ukladajú jadrové sily, ktoré držia atómy pohromade. Napríklad silná jadrová sila vo vnútri jadra, ktorá drží protóny a neutróny na danom mieste. Preto je také ťažké rozdeliť atómy, čo je proces, ktorý sa deje iba v jadrových reaktoroch, urýchľovačoch častíc, v centrách hviezd alebo v iných vysokoenergetických situáciách.
Nezamieňajte s chemickou potenciálnou energiou, jadrová potenciálna energia sa ukladávo vnútri jednotlivých atómov. Ako sa uvádza v ich názve, atómové bomby predstavujú jedno z najagresívnejších využití jadrovej potenciálnej energie ľudstvom.
Elektrická potenciálna energia:Táto energia sa ukladá udržiavaním elektrických nábojov v konkrétnej konfigurácii. Napríklad, keď je sveter, ktorý má veľa nahromadených negatívnych nábojov, blízko k pozitívnemu alebo neutrálnemu predmetu, mápotenciálspôsobiť pohyb pritiahnutím kladných nábojov a odpudením ďalších negatívnych nábojov.
Akákoľvek jednotlivá nabitá častica držaná na mieste v elektrickom poli má tiež elektrickú potenciálnu energiu. Tento príklad je analogický s gravitačnou potenciálnou energiou v tom, že poloha náboja vo vzťahu k elektrickému poľu je aká určuje jeho množstvo potenciálnej energie, rovnako ako poloha objektu vo vzťahu k gravitačnému poľu určuje jeho GPE.
Vzorec gravitačnej potenciálnej energie
Gravitačná potenciálna energia alebo GPE je jedným z mála druhov energie, pre ktoré študenti fyziky na strednej škole zvyčajne vykonávajú výpočty (iné sú lineárna a rotačná kinetická energia). Vyplýva to z gravitačnej sily. Premenné, ktoré ovplyvňujú koľko GPE má objekt, sú hromadném,gravitačné zrýchleniega výškah.
GPE = mgh
Ak sa GPE meria v jouloch (J), hmotnosť v kilogramoch (kg), gravitačné zrýchlenie v metroch za sekundu za sekundu (m / s)2) a výška v metroch (m).
Všimnite si, že na Zemi,gsa považuje za vždy rovnú 9,8 m / s2. Na iných miestach, kde Zem nie je lokálnym zdrojom gravitačného zrýchlenia, ako napríklad na iných planétach,gmá iné hodnoty.
Vzorec pre GPE naznačuje, že čím hmotnejší je objekt alebo čím je vyššie, tým viac potenciálnej energie obsahuje. To zase vysvetľuje, prečo cent spadnutý z hornej časti budovy pôjde dole oveľa rýchlejšie ako ten, ktorý spadne z vrecka človeka priamo nad chodníkom. (Toto je tiež ilustrácia zachovania energie: ako objekt klesá, jeho potenciálna energia klesá, takže jeho kinetická energia musí stúpať o rovnaké množstvo, aby zostala celková energia konštanta.)
Štart z vyššej výšky znamená, že penny bude na dlhšiu vzdialenosť akcelerovať smerom dole, čo na konci cesty spôsobí vyššiu rýchlosť. Alebo, aby sa pohyboval na väčšiu vzdialenosť, penny na streche musel začať s väčšou potenciálnou energiou, ktorú kvantifikuje vzorec GPE.
Príklad GPE
Usporiadajte nasledujúce objekty od najväčšej po najmenej gravitačnú potenciálnu energiu:
- 50-kilogramová žena na vrchole 3-metrového rebríka
- Pohyblivá skrinka s hmotnosťou 30 kg na vrchole 10 m pristátia
- Činka s hmotnosťou 250 kg držala 0,5 m nad hlavou zdviháka
Na ich porovnanie vypočítajte GPE pre každú situáciu pomocou vzorca GPE = mgh.
- Žena GPE = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1 617 J
- Pohyblivý box GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2 940 J
- Činka GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1 470 J
Takže od najviac po najmenej GPE je poradie: pohyblivá skrinka, žena, činka.
Matematicky si uvedomte, že keďže všetky objekty boli na Zemi a mali rovnakú hodnotu preg, vynechanie tohto čísla by stále viedlo k správnemu poradiu (ale urobilo by tonieuveďte skutočné množstvo energie v jouloch!).
Zvážte namiesto toho, že pohyblivá skrinka bola na Zemi namiesto na Zemi. Na Marse je gravitačné zrýchlenie zhruba jedna tretina toho, čo na Zemi. To znamená, že pohyblivá skrinka by mala asi jednu tretinu množstva GPE na Marse vo výške 10 m alebo 980 J.