Сви студенти физике имају потенцијал - потенцијалну енергију, тј. Али они који одвоје време да утврде шта то значи у смислу физике, имаћевише потенцијалада утичу на свет око себе од оних који то не чине. У најмању руку, моћи ће да намерно одговоре одраслој одраслој особи с меме куип-ом: „Нисам лењ, преплављен сам потенцијалном енергијом“.
Шта је потенцијална енергија?
Концепт потенцијалне енергије у почетку може изгледати збуњујуће. Али укратко, о потенцијалној енергији можете размишљати као о ускладиштеној енергији. Имапотенцијалда се трансформише у покрет и учини да се нешто догоди, попут батерије која још није повезана или тањира шпагета које ће тркач појести ноћ пре трке.
Потенцијална енергија је једна од три широке категорије енергије које се налазе у универзуму. Друге две су кинетичка енергија, која је енергија кретања, и топлотна енергија, која је посебна врста кинетичке енергије која се не може поново користити.
Без потенцијалне енергије, ниједна енергија се не би могла уштедети за каснију употребу. Срећом, постоји пуно потенцијалне енергије, која се непрестано претвара између себе и кинетичке енергије, чинећи ствари стварима.
Са сваком трансформацијом, нека потенцијална и кинетичка енергија се претвара у топлотну енергију, познату и као топлота. На крају ће се сва енергија свемира претворити у топлотну енергију и доживеће „топлотну смрт“, када више не буде било потенцијалне енергије. Али до тог далеког будућег времена, потенцијална енергија ће држати отворене могућности за акцију.
СИ јединица за потенцијалну енергију, и било која енергија за то, је џул, где је 1 џул = 1 (њутн) (метар).
Врсте и примери потенцијалне енергије
Постоји много врста потенцијалне енергије. Међу ове облике енергије спадају:
Механичка потенцијална енергија:Такође познато као гравитациона потенцијална енергија или ГПЕ, ово се односи на енергију коју складишти анположај објекта у односу на гравитационо поље, попут оног у близини Земљине површине.
На пример, књига која седи на врху полице може да падне доле због силе гравитације. Што је већи у односу на земљу - а самим тим и у односу на Земљу, извор гравитационог поља - то дужи пад може прећи. О томе више касније.
Хемијска потенцијална енергија:Енергија ускладиштена у молекуларним везама је хемијска енергија. Прекидањем веза може се ослободити и трансформисати у кинетичку енергију.Отуда, што више веза у молекулу садржи више потенцијалне енергије.
На пример, када једете храну, процес варења разграђује молекуле масти, протеина, угљених хидрата или аминокиселина, тако да тело може ту енергију да користи за кретање. Будући да су масти најдужи од оних молекула са највише веза између атома, оне складиште највише енергије.
Слично томе, трупци који се користе у логорској ватри садрже хемијску потенцијалну енергију која се ослобађа када се сагоре и прекину везе између молекула у дрвету. Све за шта је потребна хемијска реакција - укључујући употребу батерија или сагоревање бензина у аутомобилу - садржи хемијску потенцијалну енергију.
Еластична потенцијална енергија:Овај облик потенцијалне енергије је енергија ускладиштена у деформацији предмета од његовог нормалног облика. Када се објекат развуче или стисне од првобитног облика - рецимо извучене гумице или опруге која се држи у чврстој завојници - он имапотенцијалда пролеће или се одбија када се пусти. Или, мљацкави јастук на каучу притиснут је отиском некога ко седи на њему, тако да се, кад стоје, отисак полако подиже док кауч не изгледа као пре него што су седели.
Нуклеарна потенцијална енергија:Нуклеарне силе које атоме држе заједно, складиште много потенцијалне енергије. На пример, јака нуклеарна сила унутар језгра која држи протоне и неутроне на месту. Због тога је тако тешко раздвојити атоме, процес који се дешава само у нуклеарним реакторима, акцелераторима честица, центрима звезда или другим ситуацијама високе енергије.
Да се не би помешали са хемијском потенцијалном енергијом, нуклеарна потенцијална енергија се складиштиунутар појединих атома. Као што каже њихово име, атомске бомбе представљају једну од најагресивнијих употреба нуклеарне потенцијалне енергије човечанства.
Електрична потенцијална енергија:Ова енергија се складишти задржавањем електричних набоја у одређеној конфигурацији. На пример, када се џемпер који има много изграђених негативних наелектрисања приближи позитивном или неутралном предмету, он имапотенцијалда изазове кретање привлачењем позитивних набоја и одбијањем других негативних набоја.
Свака појединачно наелектрисана честица која се држи у електричном пољу такође има електричну потенцијалну енергију. Овај пример је аналоган гравитационој потенцијалној енергији у томе што је положај наелектрисања у односу на електрично поље одређује његову количину потенцијалне енергије, баш као што положај објекта у односу на гравитационо поље одређује његов ГПЕ.
Формула потенцијалне енергије гравитације
Гравитациона потенцијална енергија, или ГПЕ, једна је од ретких врста енергије за коју средњошколци физике обично врше прорачуне (друге су линеарна и ротациона кинетичка енергија). Резултат је гравитационе силе. Варијабле које утичу на количину ГПЕ-а објекта имају масум,убрзање услед гравитацијег, и висинах.
ГПЕ = мгх
Где се ГПЕ мери у џулима (Ј), маса у килограмима (кг), убрзање због гравитације у метрима у секунди у секунди (м / с2) и висине у метрима (м).
Имајте на уму да на Земљи,гтретира се као увек једнак 9,8 м / с2. На другим локацијама где Земља није локални извор гравитационог убрзања, као на другим планетама,гима и друге вредности.
Формула за ГПЕ подразумева да што је објекат масивнији или што је већи, то садржи више потенцијалне енергије. Ово заузврат објашњава зашто ће пени који се баци са врха зграде ићи много брже на дну него онај који је пао из џепа особе одмах изнад плочника. (Ово је такође илустрација очувања енергије: како објекат пада, његова потенцијална енергија смањује, па се његова кинетичка енергија мора повећати за исту количину како би укупна енергија остала константан.)
Почетак на већој висини значи да ће се пени убрзати наниже на већој удаљености, што ће резултирати бржом брзином до краја путовања. Или, да би се наставило даље кретати на већој удаљености, пени на крову мора да је почео са више потенцијалне енергије, што ГПЕ формула квантификује.
Пример ГПЕ
Рангирајте следеће објекте од највеће до најмање гравитационе потенцијалне енергије:
- Жена од 50 кг на врху лествице од 3 м
- Кутија за кретање од 30 кг на врху 10 метара слетања
- Шипка од 250 кг држана је 0,5 м изнад главе дизача
Да бисте их упоредили, израчунајте ГПЕ за сваку ситуацију користећи формулу ГПЕ = мгх.
- Жена ГПЕ = (55 кг) (9,8 м / с2) (3 м) = 1.617 Ј
- Кутија за померање ГПЕ = (30 кг) (9,8 м / с2) (10 м) = 2.940 Ј
- ГПЕ утег = (250 кг) (9,8 м / с2) (0,5 м) = 1,470 Ј
Дакле, од већине до најмање ГПЕ редослед је: покретна кутија, жена, мрена.
Имајте на уму да су, математички, будући да су сви објекти били на Земљи и имали су исту вредност заг, изостављање тог броја и даље би резултирало исправним редоследом (али то би учинилонедајте стварне количине енергије у џулима!).
Уместо тога узмите у обзир да се покретна кутија налазила на Марсу, а не на Земљи. На Марсу је убрзање услед гравитације отприлике једна трећина од оног на Земљи. То значи да би покретна кутија имала око једне трећине количине ГПЕ на Марсу на висини од 10 м, односно 980 Ј.