Kako izračunati potencialno energijo

Potencialna energija se sliši, kot da gre preprosto za energijo, ki se ni aktualizirala, in če razmišljate o njej tako, se lahko prepričate, da ni resnična. Stojte pa pod varnim 30 metrov nad tlemi in vaše mnenje se lahko spremeni. Sef ima potencialno energijo zaradi sile gravitacije in če bi nekdo prerezal vrv, ki jo drži, bi se ta energija obrnila v kinetično energijo in ko bi sef prišel do vas, bi imel dovolj "aktualizirane" energije, da bi vam dal cepitev glavobol.

Boljša opredelitev potencialne energije je shranjena energija in za njeno shranjevanje je potrebno "delo". Fizika ima specifično definicijo dela - delo se opravi, ko sila premika predmet na daljavo. Delo je povezano z energijo. V sistemu SI se meri v džulih, ki so prav tako enote potencialne in kinetične energije. Če želite delo pretvoriti v potencialno energijo, morate ukrepati proti določeni vrsti sile, ki jih je več. Sila je lahko gravitacija, vzmet ali električno polje. Značilnosti sile določajo količino potencialne energije, ki jo shranite tako, da delate proti njej.

Način gravitacije deluje tako, da se dve telesi privlačita, toda vse na zemlji je v primerjavi s samim planetom tako majhno, da je pomembno le zemeljsko gravitacijsko polje. Če dvignete telo (m) nad tlemi to telo doživi silo, zaradi katere pospeši pot proti tlom. Velikost sile (F), iz Newtonovega drugega zakona, podaja F = mg, kje g je pospešek zaradi gravitacije, ki je stalnica povsod na Zemlji.

Recimo, da dvignete telo v višino h. Količina dela, ki ga opravite za to, je sila × razdalja, oz mgh. To delo se shrani kot potencialna energija, zato je enačba potencialne energije za gravitacijsko polje Zemlje preprosto:

Gravitacijska potencialna energija = mgh

Vzmeti, gumijasti trakovi in ​​drugi elastični materiali lahko shranjujejo energijo, kar v bistvu počnete, ko povlečete lok tik pred streljanjem puščice. Ko vzmet raztegnete ali stisnete, deluje nasprotno, da vzmet vzpostavi nazaj ravnotežni položaj Velikost sile je sorazmerna razdalji, ki jo raztegnete ali stisnete to (x). Konstanta sorazmernosti (k) je značilen za pomlad. Po Hookejevem zakonu F = −kx. Znak minus označuje obnovitveno silo vzmeti, ki deluje v nasprotni smeri od tiste, ki jo razteza ali stisne.

Za izračun potencialne energije, shranjene v elastičnem materialu, morate vedeti, da se sila poveča kot x povečuje. Za neskončno majhno razdaljo pa je F konstanta. S seštevanjem sil vseh neskončno majhnih razdalj med 0 (ravnotežje) in končnim podaljšanjem ali stiskanjem x, lahko izračunate opravljeno delo in shranjeno energijo. Ta postopek seštevanja je matematična tehnika, imenovana integracija. Ustvari formulo potencialne energije za elastičen material:

Potencialna energija = kx²/2

kje x je podaljšek in k je vzmetna konstanta.

Razmislite o premikanju pozitivnega naboja q znotraj električnega polja, ki ga ustvarja večji pozitivni naboj V. Zaradi električnih odbojnih sil je potrebno delo približati manjšemu naboju večjemu. Po Coulombovem zakonu je sila med obtožbami v katerem koli trenutku kqQ/r², kje r je razdalja med njima. V tem primeru, k je Coulombova konstanta, ne vzmetna. Fiziki oba označujeta z k. Potencialno energijo izračunate tako, da upoštevate delo, potrebno za premikanje q od neskončno daleč od V na svojo razdaljo r. Tako dobimo enačbo električne potencialne energije:

Električna potencialna energija = kqQ/r

Električni potencial je nekoliko drugačen. To je količina energije, shranjene na enoto naboja, in je znana kot napetost, merjena v voltih (džul / kulon). Enačba za električni potencial ali napetost, ki jo ustvarja naboj V na daljavo r je:

Električni potencial = kQ/r