Vsi študentje fizike imajo potencial - potencialno energijo, tj. Toda tisti, ki si bodo vzeli čas in ugotovili, kaj to pomeni v smislu fizike, bodo imeliveč potencialavplivati na svet okoli sebe kot tisti, ki ne. Vsaj nagajivi odrasli bodo lahko zavestno odgovorili z internetnim meme quipom: "Nisem len, preplavljen sem s potencialno energijo."
Kaj je potencialna energija?
Koncept potencialne energije se sprva morda zdi zmeden. A skratka lahko o potencialni energiji razmišljate kot o shranjeni energiji. Imapotencialda se preobrazi v gibanje in se kaj zgodi, na primer baterija, ki še ni povezana, ali krožnik špagetov, ki ga bo tekač pojedel večer pred dirko.
Potencialna energija je ena od treh širokih kategorij energije v vesolju. Druga dva sta kinetična energija, ki je energija gibanja, in toplotna energija, ki je posebna vrsta kinetične energije, ki je ni mogoče ponovno uporabiti.
Brez potencialne energije ne bi mogli prihraniti energije za kasnejšo uporabo. Na srečo obstaja veliko potencialne energije, ki se nenehno spreminja med seboj in kinetično energijo, zaradi česar se stvari dogajajo.
Z vsako preobrazbo se nekaj potencialne in kinetične energije spremeni v toplotno energijo, znano tudi kot toplota. Sčasoma se bo vsa energija vesolja pretvorila v toplotno energijo in doživela bo "toplotno smrt", ko ne bo več potencialne energije. Toda do tistega daljnega časa bo potencialna energija odprte možnosti za ukrepanje.
Enota SI za potencialno energijo in v tem primeru katero koli energijo je džul, kjer je 1 džul = 1 (newton) (meter).
Vrste in primeri potencialne energije
Obstaja veliko vrst potencialne energije. Med temi oblikami energije so:
Mehanska potencialna energija:Znano tudi kot gravitacijska potencialna energija ali GPE, se to nanaša na energijo, ki jo shrani anpoložaj predmeta glede na gravitacijsko polje, kakršno je blizu Zemljine površine.
Na primer, knjiga, ki sedi na vrhu police, lahko zaradi sile gravitacije pade dol. Višji kot je glede na zemljo - in s tem tudi na Zemljo, vir gravitacijskega polja - daljši padec ima potencial za prehod. Več o tem kasneje.
Kemijska potencialna energija:Energija, shranjena v molekularnih vezah, je kemična energija. S prekinitvijo vezi se lahko sprosti in pretvori v kinetično energijo.Zato je več vezi v molekuli, več potencialne energije vsebuje.
Na primer, ko jemo hrano, postopek prebave razgradi molekule maščob, beljakovin, ogljikovih hidratov ali aminokislin, tako da telo lahko to energijo uporabi za gibanje. Ker so maščobe najdaljša od tistih molekul, ki imajo največ vezi med atomi, shranijo največ energije.
Hlodi, ki se uporabljajo v tabornem ognju, prav tako vsebujejo potencialno kemično energijo, ki se sprosti, ko se zgore in prekinejo vezi med molekulami v lesu. Vse, za kar je potrebna kemična reakcija, vključno z uporabo baterij ali kurjenjem bencina v avtomobilu, vsebuje potencialno kemično energijo.
Elastična potencialna energija:Ta oblika potencialne energije je energija, shranjena pri deformaciji predmeta iz njegove normalne oblike. Ko se predmet raztegne ali stisne v prvotni obliki - recimo izvlečeni gumijasti trak ali vzmet v tesni tuljavi - imapotencialda se spomladi ali ob odpustu vrne nazaj. Ali pa na mehko blazino na kavču pritisnemo odtis nekoga, ki sedi na njej, tako da se odtis počasi dvigne nazaj, dokler kavč ni videti tako, kot je bil, preden so sedeli.
Jedrska potencialna energija:Jedrske sile, ki držijo atome skupaj, shranijo veliko potencialne energije. Na primer močna jedrska sila znotraj jedra, ki drži protone in nevtrone na mestu. Zato je tako težko deliti atome, kar se zgodi samo v jedrskih reaktorjih, pospeševalcih delcev, središčih zvezd ali drugih situacijah z visoko energijo.
Da je ne bi zamenjali s potencialno kemično energijo, je jedrska potencialna energija shranjenaznotraj posameznih atomov. Kot že piše v njihovem imenu, atomske bombe predstavljajo eno najbolj agresivnih načinov uporabe jedrske potencialne energije.
Potencialna električna energija:Ta energija se shrani z zadrževanjem električnih nabojev v določeni konfiguraciji. Na primer, ko pulover z veliko vgrajenimi negativnimi naboji približate pozitivnemu ali nevtralnemu predmetu, imapotencialpovzročiti gibanje s privabljanjem pozitivnih nabojev in odbijanjem drugih negativnih nabojev.
Vsak enojno nabit delec, ki je v električnem polju, ima tudi električno potencialno energijo. Ta primer je analogen gravitacijski potencialni energiji, ker je položaj naboja glede na električno polje določa njegovo količino potencialne energije, tako kot položaj predmeta glede na gravitacijsko polje določa njegovo GPE.
Formula gravitacijske potencialne energije
Gravitacijska potencialna energija ali GPE je ena redkih vrst energije, za katero dijaki fizike običajno izvajajo izračune (druge so linearna in rotacijska kinetična energija). Izhaja iz gravitacijske sile. Spremenljivke, ki vplivajo na količino GPE predmeta, so masam,pospešek zaradi gravitacijegin višinah.
GPE = mgh
Kjer se GPE meri v džulih (J), masa v kilogramih (kg), pospešek zaradi teže v metrih na sekundo na sekundo (m / s2) in višina v metrih (m).
Upoštevajte, da na Zemljigje vedno enako 9,8 m / s2. Na drugih lokacijah, kjer Zemlja ni lokalni vir gravitacijskega pospeška, na primer na drugih planetih,gima druge vrednosti.
Formula za GPE pomeni, da bolj ko je objekt masiven ali višje je postavljen, več potencialne energije vsebuje. To pa pojasnjuje, zakaj bo peni, ki ga spustijo z vrha stavbe, na dnu šel veliko hitreje kot tisti, ki je padel iz žepa osebe tik nad pločnikom. (To je tudi ilustracija ohranjanja energije: ko objekt pade, njegova potencialna energija zmanjša, zato se mora njegova kinetična energija povečati za enako količino, da ostane celotna energija konstantna.)
Začetek na višji višini pomeni, da se peni pospeši navzdol na daljši razdalji, kar ima za posledico hitrejšo hitrost do konca potovanja. Ali pa se je za nadaljevanje daljše razdalje peni na strehi začel z večjo potencialno energijo, ki jo GPE formula kvantificira.
Primer GPE
Naslednje predmete razvrstite od največje do najmanj gravitacijske potencialne energije:
- 50-kilogramska ženska na vrhu 3-metrske lestve
- 30-kilogramska premična škatla na vrhu 10-metrskega pristanka
- 250-kilogramska mrena, ki je bila 0,5 m nad glavo dvigala
Če jih želite primerjati, izračunajte GPE za vsako situacijo po formuli GPE = mgh.
- GPE za ženske = (55 kg) (9,8 m / s2) (3 m) = 1.617 J
- Premična škatla GPE = (30 kg) (9,8 m / s2) (10 m) = 2940 J
- GPE mrene GPE = (250 kg) (9,8 m / s2) (0,5 m) = 1,470 J
Torej, od večine do najmanj GPE je vrstni red: premična škatla, ženska, mrena.
Upoštevajte, da matematično, ker so bili vsi predmeti na Zemlji in so imeli enako vrednost zag, če bi to številko izpustili, bi še vedno prišlo do pravilnega vrstnega reda (vendar bi to storilonedajte dejanske količine energije v džulih!).
Namesto tega pomislimo, da je bila premična škatla na Marsu namesto na Zemlji. Na Marsu je pospešek zaradi gravitacije približno ena tretjina, kot je na Zemlji. To pomeni, da bi imela premična škatla približno tretjino količine GPE na Marsu na višini 10 m ali 980 J.