Potentiell energi: Vad är det och varför det spelar roll (med formel och exempel)

Alla fysikstudenter har potential - potentiell energi, det vill säga. Men de som tar sig tid att bestämma vad det betyder i termer av fysik kommer att hamer potentialatt påverka världen omkring dem än de som inte gör det. Åtminstone kommer de att kunna svara medvetet till en gnagande vuxen med en internet-meme-quip: "Jag är inte lat, jag överflödar av potentiell energi."

Begreppet potentiell energi kan verka förvirrande först. Men kort sagt kan du tänka på potentiell energi som lagrad energi. Den harpotentialatt förvandlas till rörelse och få något att hända, som ett batteri som ännu inte är anslutet eller en tallrik spagetti som en löpare håller på att äta kvällen före loppet.

Potentiell energi är en av tre breda kategorier av energi som finns i universum. De andra två är kinetisk energi, vilket är rörelsenergin, och termisk energi, som är en speciell, icke-återanvändbar typ av kinetisk energi.

Utan potentiell energi kunde ingen energi sparas för senare användning. Lyckligtvis finns det massor av potentiell energi, och den konverterar ständigt fram och tillbaka mellan sig själv och kinetisk energi och får saker att hända.

Vid varje transformation förvandlas en del potentiell och kinetisk energi till termisk energi, även känd som värme. Så småningom kommer all universums energi att omvandlas till termisk energi, och den kommer att uppleva "värmedöd", när ingen mer potentiell energi finns. Men fram till den avlägsna framtida tiden kommer potentiell energi att hålla möjligheterna till handling öppna.

SI-enheten för potentiell energi, och vilken som helst för energi för den delen, är joule, där 1 joule = 1 (newton) (meter).

Det finns många typer av potentiell energi. Bland dessa energiformer finns:

​Mekanisk potentialenergi:Även känd som gravitationell potentiell energi, eller GPE, avser detta energi som lagras av enobjektets position i förhållande till ett gravitationsfält, såsom det nära jordens yta​.

Till exempel har en bok som sitter högst upp på en hylla potential att falla ner på grund av tyngdkraften. Ju högre det är i förhållande till marken - och därmed i förhållande till jorden, gravitationsfältets källa - desto längre fall har det potential att korsa. Mer om detta senare.

​Kemisk potentiell energi:Energi lagrad i molekylära bindningar är kemisk energi. Det kan frigöras och omvandlas till kinetisk energi genom att bryta bindningar.Därför, ju fler bindningar i en molekyl, desto mer potentiell energi innehåller den.​

När man till exempel äter mat bryter nedbrytningsprocessen molekyler av fetter, proteiner, kolhydrater eller aminosyror så att kroppen kan använda den energin för att röra sig. Eftersom fetter är den längsta av de molekyler som har flest bindningar mellan atomer, lagrar de mest energi.

På samma sätt innehåller stockarna som används i ett lägereld kemisk potentiell energi som frigörs när de bränns och bindningarna mellan molekyler i träet bryts. Allt som kräver en kemisk reaktion för att "gå" - inklusive att använda batterier eller bränna bensin i en bil - innehåller kemisk potentiell energi.

​Elastisk potentialenergi:Denna form av potentiell energi är den energi som lagras i deformationen av ett objekt från dess normala form. När ett objekt sträcks eller komprimeras från sin ursprungliga form - säg ett gummiband som dras ut eller en fjäder som hålls i en tät spole - har detpotentialatt springa eller studsa tillbaka när du släpps. Eller en kuddig soffkudde pressas med avtrycket av någon som sitter på den så att avtrycket stiger långsamt tillbaka tills soffan ser ut som innan de satt när de står.

​Kärnpotentialenergi:En hel del potentiell energi lagras av kärnkrafterna som håller atomer tillsammans. Till exempel den starka kärnkraften i en kärna som håller protonerna och neutronerna på plats. Det är därför det är så svårt att dela atomer, en process som bara händer i kärnreaktorer, partikelacceleratorer, centrum för stjärnor eller andra högenergisituationer.

För att inte förväxlas med kemisk potentiell energi lagras kärnpotentialenergiinuti enskilda atomer. Som deras namn säger representerar atombomber en av mänsklighetens mest aggressiva användningar av kärnkraftspotentialenergi.

​Elektrisk potentiell energi:Denna energi lagras genom att hålla elektriska laddningar i en viss konfiguration. Till exempel, när en tröja som har många uppbyggda negativa laddningar kommer nära ett positivt eller neutralt objekt, har denpotentialatt orsaka rörelse genom att locka positiva laddningar och avvisa andra negativa laddningar.

Varje enskild laddad partikel som hålls på plats i ett elektriskt fält har också elektrisk potentialenergi. Detta exempel är analogt med gravitationell potentiell energi genom att laddningens position i förhållande till det elektriska fältet är vad bestämmer dess mängd potentiell energi, precis som ett objekts position i förhållande till gravitationsfältet bestämmer dess GPE.

Gravitationell potentialenergi, eller GPE, är en av de få energityperna för gymnasiefysikstudenter som vanligtvis utför beräkningar (andra är linjär och roterande kinetisk energi). Det härrör från gravitationskraften. Variablerna som påverkar hur mycket GPE ett objekt har är massam,accelerationen på grund av tyngdkraftengoch höjdh.​

Där GPE mäts i joule (J), massa i kg (kg), acceleration på grund av tyngdkraften i meter per sekund per sekund (m / s²) och höjd i meter (m).

Observera att på jorden,gbehandlas som alltid lika med 9,8 m / s². På andra platser där jorden inte är den lokala källan till gravitationell acceleration, som på andra planeter,ghar andra värden.

Formeln för GPE innebär att ju mer massivt ett objekt är eller ju högre det placeras, desto mer potentiell energi innehåller det. Detta i sin tur förklarar varför ett öre som tappats från toppen av en byggnad kommer att gå mycket snabbare längst ner än ett som tappats ur en persons ficka precis ovanför trottoaren. (Detta är också en illustration av bevarande av energi: när objektet faller, dess potentiella energi minskar, så dess kinetiska energi måste öka med samma mängd för att den totala energin ska förbli konstant.)

Att börja på en högre höjd innebär att öre kommer att accelerera nedåt över ett längre avstånd, vilket resulterar i en snabbare hastighet i slutet av resan. Eller för att fortsätta röra sig över längre sträckor måste öre på taket ha börjat med mer potentiell energi, vilket GPE-formeln kvantifierar.

Ranka följande objekt från den mest till minst gravitationella potentiella energin:

• En kvinna på 50 kg högst upp på en 3 m stege
• En 30 kg flyttlåda högst upp på en 10 m landning
• Ett skivstång på 250 kg som hölls 0,5 m ovanför huvudet på en kraftlyftare

För att jämföra dessa beräknar du GPE för varje situation med formeln GPE = mgh.

• Kvinna GPE = (55 kg) (9,8 m / s²(3 m) = 1 617 J
• Rörlåda GPE = (30 kg) (9,8 m / s²(10 m) = 2 940 J
• Skivstång GPE = (250 kg) (9,8 m / s²(0,5 m) = 1 470 J
  

Så, från mest till minst GPE är ordern: flyttlåda, kvinna, skivstång.

Observera att, matematiskt, eftersom alla föremål var på jorden och hade samma värde förgom du lämnar det numret skulle det fortfarande resultera i rätt ordning (men om du gör det skulle det varaintege de faktiska mängderna energi i joule!).

Tänk istället på att den rörliga rutan var på Mars istället för på jorden. På Mars är accelerationen på grund av tyngdkraften ungefär en tredjedel av vad den är på jorden. Det betyder att flyttlådan skulle ha ungefär en tredjedel av mängden GPE på Mars vid 10 m hög, eller 980 J.