Jarná potenciálna energia: definícia, rovnica, jednotky (s príkladmi)

Od napnutého tetivy, ktorá poslala šíp letiaci vzduchom, až po dieťa, ktoré roztáčalo jack-in-the-box dosť na to, aby vyskočilo tak rýchlo, že sotva vidíte, ako sa to deje, jarná potenciálna energia je všetko okolo nás.

Pri lukostreľbe lukostrelec stiahne tetivu, stiahne ju z rovnovážnej polohy a prenesie energiu z vlastných svalov na strunu a táto uložená energia sa nazývajarná potenciálna energia(aleboelastická potenciálna energia). Po uvoľnení tetivy sa táto uvoľní ako kinetická energia v šípke.

Koncept potenciálnej energie na jar je kľúčovým krokom v mnohých situáciách týkajúcich sa ochrany energie a ďalšie informácie o nej vám poskytnú prehľad nielen o jack-in-the-boxoch a šípoch.

Definícia potenciálnej energie na jar

Jarná potenciálna energia je forma uloženej energie, podobne ako gravitačná potenciálna energia alebo elektrická potenciálna energia, ale spojená s pružinami aelasticképredmety.

Predstavte si pružinu, ktorá visí zvisle od stropu a niekto ju strhne na druhý koniec. Uloženú energiu, ktorá z toho vyplýva, je možné presne vyčísliť, ak viete, ako ďaleko bola struna stiahnutá a ako konkrétna pružina reaguje na vonkajšiu silu.

instagram story viewer

Presnejšie, potenciálna energia pružiny závisí od jej vzdialenosti,X, že sa pohlo zo „rovnovážnej polohy“ (polohy, v ktorej by spočívalo pri absencii vonkajších síl) a jej pružinová konštanta,k, ktorý vám povie, koľko sily vyžaduje predĺženie pružiny o 1 meter. Kvôli tomu,kmá jednotky newtonov / meter.

Jarná konštanta sa nachádza v Hookeovom zákone, ktorý popisuje silu potrebnú na pretiahnutie pružinyXmetrov od jej rovnovážnej polohy alebo rovnako opačnú silu od pružiny, keď urobíte:

F = -kx

Záporné znamienko vám hovorí, že sila pružiny je vratná sila, ktorá slúži na vrátenie pružiny do rovnovážnej polohy. Rovnica pre jarnú potenciálnu energiu je veľmi podobná a obsahuje rovnaké dve veličiny.

Rovnica pre jarnú potenciálnu energiu

Jarná potenciálna energiaPEjar sa počíta pomocou rovnice:

PE_ {spring} = \ frac {1} {2} kx ^ 2

Výsledkom je hodnota v jouloch (J), pretože pružinový potenciál je forma energie.

V ideálnej pružine - o ktorej sa predpokladá, že nemá trenie a nemá znateľnú hmotnosť - sa to rovná tomu, koľko práce ste na pružine vykonali pri jej predĺžení. Rovnica má rovnaký základný tvar ako rovnice kinetickej a rotačnej energie sXnamiestovv rovnici kinetickej energie a jarnej konštantekna mieste omšem- tento bod môžete použiť, ak si potrebujete zapamätať rovnicu.

Príklady problémov s elastickou potenciálnou energiou

Výpočet potenciálu pružiny je jednoduchý, ak poznáte posunutie spôsobené natiahnutím (alebo stlačením) pružiny,Xa jarná konštanta pre danú pružinu. Pre jednoduchý problém si predstavte pružinu s konštantouk= 300 N / m sa predĺži o 0,3 m: aká je výsledná potenciálna energia uložená na jar?

Tento problém zahŕňa rovnicu potenciálnej energie a dostanete dve hodnoty, ktoré potrebujete vedieť. Je len potrebné pripojiť hodnotyk= 300 N / m aX= 0,3 m na nájdenie odpovede:

\ begin {aligned} PE_ {spring} & = \ frac {1} {2} kx ^ 2 \\ & = \ frac {1} {2} × 300 \; \ text {N / m} × (0,3 \; \ text {m}) ^ 2 \\ & = 13,5 \; \ text {J} \ end {zarovnaný}

Pre náročnejší problém si predstavte lukostrelca, ktorý stiahne strunu z luku a pripravuje sa na vystrelenie šípu, uvedenie späť do 0,5 m od rovnovážnej polohy a ťahanie za šnúrku maximálnou silou 300 N.

Tu ste dostali siluFa vysídlenieX, ale nie jarná konštanta. Ako riešite takýto problém? Našťastie Hookeov zákon popisuje vzťah medzi,F​, ​Xa konštantak, takže môžete použiť rovnicu v nasledujúcom tvare:

k = \ frac {F} {x}

Zistiť hodnotu konštanty pred výpočtom potenciálnej energie ako predtým. Avšak odksa objaví v rovnici elastickej potenciálnej energie, môžete do nej dosadiť tento výraz a vypočítať výsledok v jednom kroku:

\ begin {aligned} PE_ {spring} & = \ frac {1} {2} kx ^ 2 \\ & = \ frac {1} {2} \ frac {F} {x} x ^ 2 \\ & = \ frac {1} {2} Fx \\ & = \ frac {1} {2} × 300 \; \ text {N} × 0,5 \; \ text {m} \\ & = 75 \; \ text {J} \ end {zarovnané}

Plne napnutý oblúk má teda 75 J energie. Ak potom potrebujete vypočítať maximálnu rýchlosť šípky a poznáte jej hmotnosť, môžete to urobiť uplatnením úspory energie pomocou rovnice kinetickej energie.

Teachs.ru
  • Zdieľam
instagram viewer