พลังงานศักย์: มันคืออะไร & เหตุใดจึงสำคัญ (พร้อมสูตร & ตัวอย่าง)

นักศึกษาฟิสิกส์ทุกคนมีศักยภาพ – พลังงานศักย์ กล่าวคือ แต่คนที่เอาเวลาไปกำหนดความหมายของฟิสิกส์จะได้ willมีศักยภาพมากขึ้นให้กระทบต่อโลกรอบตัวมากกว่าผู้ที่ไม่ทำ อย่างน้อยที่สุด พวกเขาก็จะสามารถตอบผู้ใหญ่ที่จู้จี้อย่างรู้เท่าทันด้วยคำคมมีมทางอินเทอร์เน็ตว่า "ฉันไม่ได้ขี้เกียจ ฉันเต็มไปด้วยพลังงานที่อาจเกิดขึ้น"

แนวคิดเรื่องพลังงานศักย์อาจดูสับสนในตอนแรก แต่ในระยะสั้น คุณสามารถนึกถึงพลังงานศักย์เป็นพลังงานสะสม มันมีศักยภาพเพื่อแปลงร่างเป็นการเคลื่อนไหวและทำให้บางสิ่งบางอย่างเกิดขึ้น เช่น แบตเตอรีที่ยังไม่ได้เชื่อมต่อหรือจานปาเก็ตตี้ที่นักวิ่งกำลังจะกินในคืนก่อนการแข่งขัน

พลังงานศักย์เป็นหนึ่งในสามประเภทพลังงานกว้างๆ ที่พบในจักรวาล อีกสองชนิดคือพลังงานจลน์ ซึ่งเป็นพลังงานของการเคลื่อนที่ และพลังงานความร้อน ซึ่งเป็นพลังงานจลน์ชนิดพิเศษที่ไม่สามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้

หากไม่มีพลังงานศักย์ พลังงานก็ไม่สามารถเก็บไว้ใช้ในภายหลังได้ โชคดีที่มีพลังงานศักย์มากมาย และมันจะแปลงไปมาระหว่างตัวมันเองกับพลังงานจลน์อย่างต่อเนื่อง ทำให้สิ่งต่าง ๆ เกิดขึ้น

ในการเปลี่ยนแปลงแต่ละครั้ง พลังงานศักย์และพลังงานจลน์บางส่วนจะเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนหรือที่เรียกว่าความร้อน ในที่สุด พลังงานทั้งหมดของจักรวาลจะถูกแปลงเป็นพลังงานความร้อน และมันจะพบกับ "การตายจากความร้อน" เมื่อไม่มีพลังงานศักย์เหลืออยู่อีกต่อไป แต่จนกว่าจะถึงอนาคตอันไกลโพ้น พลังงานศักย์จะทำให้ความเป็นไปได้ในการดำเนินการเปิดกว้าง

หน่วย SI สำหรับพลังงานศักย์และพลังงานใดๆ สำหรับเรื่องนั้นคือจูล โดยที่ 1 จูล = 1 (นิวตัน)(เมตร)

พลังงานศักย์มีหลายประเภท ในบรรดารูปแบบของพลังงานเหล่านี้ ได้แก่ :

​พลังงานศักย์ทางกล:ยังเป็นที่รู้จักกันในนามพลังงานศักย์โน้มถ่วงหรือ GPE หมายถึงพลังงานที่เก็บไว้โดย byตำแหน่งของวัตถุสัมพันธ์กับสนามโน้มถ่วง เช่น ใกล้พื้นผิวโลก Earth​.

ตัวอย่างเช่น หนังสือที่วางอยู่บนหิ้งมีศักยภาพที่จะตกลงมาเนื่องจากแรงโน้มถ่วง ยิ่งสัมพันธ์กับพื้นดินสูงเท่าใด และด้วยเหตุนี้เมื่อสัมพันธ์กับโลก ซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดของสนามโน้มถ่วง ยิ่งตกนานเท่าใดก็ยิ่งมีโอกาสเคลื่อนที่ได้ เพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้ในภายหลัง

​พลังงานศักย์เคมี:พลังงานที่เก็บไว้ในพันธะโมเลกุลคือพลังงานเคมี สามารถปลดปล่อยและเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ได้โดยการทำลายพันธะดังนั้น ยิ่งมีพันธะในโมเลกุลมากเท่าใด พลังงานก็จะยิ่งมีศักยภาพมากขึ้นเท่านั้น​

ตัวอย่างเช่น เมื่อรับประทานอาหาร กระบวนการย่อยอาหารจะสลายโมเลกุลของไขมัน โปรตีน คาร์โบไฮเดรต หรือกรดอะมิโน เพื่อให้ร่างกายสามารถใช้พลังงานนั้นในการเคลื่อนไหว เนื่องจากไขมันเป็นโมเลกุลที่ยาวที่สุดที่มีพันธะระหว่างอะตอมมากที่สุด พวกมันจึงเก็บพลังงานได้มากที่สุด

ในทำนองเดียวกัน ท่อนซุงที่ใช้ในกองไฟมีพลังงานศักย์ทางเคมีที่ปล่อยออกมาเมื่อถูกเผาและพันธะระหว่างโมเลกุลในไม้จะแตกออก อะไรก็ตามที่ต้องใช้ปฏิกิริยาเคมีเพื่อ "ไป" รวมถึงการใช้แบตเตอรี่หรือการเผาไหม้น้ำมันเบนซินในรถยนต์ ล้วนมีพลังงานศักย์ทางเคมี

​พลังงานศักย์ยืดหยุ่น:รูปแบบของพลังงานศักย์นี้คือพลังงานที่เก็บไว้ในการเสียรูปของวัตถุจากรูปร่างปกติของมัน เมื่อวัตถุถูกยืดหรือบีบอัดจากรูปร่างเดิม เช่น ดึงแถบยางออกหรือสปริงที่ขดแน่นศักยภาพเพื่อสปริงหรือเด้งกลับเมื่อปล่อย หรือเบาะโซฟานุ่มๆ ถูกกดทับโดยมีรอยประทับของใครบางคนนั่งอยู่บนนั้น เพื่อที่เมื่อพวกเขายืน รอยประทับจะค่อยๆ ถอยกลับจนกว่าโซฟาจะดูเหมือนเดิมก่อนจะนั่ง

​พลังงานศักย์นิวเคลียร์:พลังงานศักย์จำนวนมากถูกเก็บไว้โดยกองกำลังนิวเคลียร์ที่ยึดอะตอมไว้ด้วยกัน ตัวอย่างเช่น แรงนิวเคลียร์ที่แข็งแกร่งภายในนิวเคลียสที่ยึดโปรตอนและนิวตรอนไว้กับที่ ด้วยเหตุนี้จึงเป็นเรื่องยากที่จะแยกอะตอม ซึ่งเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเฉพาะในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ เครื่องเร่งอนุภาค ศูนย์กลางของดาวฤกษ์ หรือสถานการณ์พลังงานสูงอื่นๆ

เพื่อไม่ให้สับสนกับพลังงานศักย์เคมี พลังงานศักย์นิวเคลียร์จะถูกเก็บไว้ภายในอะตอมส่วนบุคคล. ตามชื่อของมัน ระเบิดปรมาณูเป็นตัวแทนของการใช้พลังงานนิวเคลียร์ที่มีศักยภาพมากที่สุดอย่างหนึ่งของมนุษย์

​พลังงานศักย์ไฟฟ้า:พลังงานนี้ถูกเก็บไว้โดยเก็บประจุไฟฟ้าในรูปแบบเฉพาะ ตัวอย่างเช่น เมื่อเสื้อสเวตเตอร์ที่มีประจุลบสะสมอยู่มากถูกนำเข้าใกล้กับวัตถุที่เป็นบวกหรือเป็นกลาง เสื้อสเวตเตอร์นั้นจะมีศักยภาพทำให้เกิดการเคลื่อนไหวโดยการดึงดูดประจุบวกและขับไล่ประจุลบอื่นๆ

อนุภาคที่มีประจุเดี่ยวใดๆ ที่ยึดไว้ในสนามไฟฟ้าก็มีพลังงานศักย์ไฟฟ้าเช่นกัน ตัวอย่างนี้คล้ายคลึงกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง โดยที่ตำแหน่งของประจุที่สัมพันธ์กับสนามไฟฟ้าคืออะไร electric กำหนดปริมาณของพลังงานศักย์ เช่นเดียวกับตำแหน่งของวัตถุที่สัมพันธ์กับสนามโน้มถ่วงกำหนด GPE ของมัน

พลังงานศักย์โน้มถ่วงหรือ GPE เป็นหนึ่งในพลังงานไม่กี่ประเภทที่นักเรียนฟิสิกส์ระดับมัธยมศึกษามักจะทำการคำนวณ เป็นผลมาจากแรงโน้มถ่วง ตัวแปรที่ส่งผลต่อจำนวน GPE ของวัตถุคือมวลเมตรความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงgและส่วนสูงซ.​

โดยที่ GPE วัดเป็นจูล (J) มวลเป็นกิโลกรัม (กก.) ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นเมตรต่อวินาทีต่อวินาที (m/s)²) และความสูงเป็นเมตร (ม.)

สังเกตว่าบนโลกgมีค่าเท่ากับ 9.8 m/s. เสมอ². ในสถานที่อื่นๆ ที่โลกไม่ใช่แหล่งกำเนิดความเร่งโน้มถ่วงในท้องถิ่น เช่น บนดาวเคราะห์ดวงอื่นgมีค่าอื่นๆ

สูตรของ GPE บอกเป็นนัยว่ายิ่งวัตถุมีมวลมากหรือวางวัตถุไว้สูง พลังงานก็จะยิ่งมีพลังงานมากขึ้น สิ่งนี้อธิบายได้ว่าทำไมเงินที่ตกลงมาจากด้านบนของอาคารจะไปได้เร็วกว่าที่ตกลงมาจากกระเป๋าของบุคคลที่อยู่เหนือทางเท้า (นี่เป็นภาพประกอบของการอนุรักษ์พลังงานด้วย: เมื่อวัตถุตกลงมา พลังงานศักย์ของวัตถุนั้น ลดลง ดังนั้นพลังงานจลน์ของมันต้องเพิ่มขึ้นในปริมาณเท่ากันเพื่อให้พลังงานทั้งหมดยังคงอยู่ คงที่)

การเริ่มต้นที่ความสูงที่สูงขึ้นหมายความว่าเพนนีจะเร่งลงไปในระยะทางที่ไกลกว่า ส่งผลให้ความเร็วเร็วขึ้นเมื่อสิ้นสุดการเดินทาง หรือเพื่อให้เคลื่อนที่ต่อไปในระยะทางที่ไกลกว่านั้น เพนนีบนหลังคาต้องเริ่มต้นด้วยพลังงานที่มีศักยภาพมากขึ้น ซึ่งสูตร GPE จะคำนวณหาปริมาณ

จัดอันดับวัตถุต่อไปนี้จากพลังงานศักย์โน้มถ่วงมากไปน้อย:

• ผู้หญิงน้ำหนัก 50 กก. บนบันไดสูง 3 ม.
• กล่องเคลื่อนที่ 30 กก. ที่ด้านบนสุดของการลงจอด 10 เมตร
• บาร์เบลล์น้ำหนัก 250 กก. ยกขึ้น 0.5 ม. เหนือศีรษะของผู้ยกกำลัง

หากต้องการเปรียบเทียบ ให้คำนวณ GPE สำหรับแต่ละสถานการณ์โดยใช้สูตร GPE = mgh

• หญิง GPE = (55 กก.)(9.8 ม./วินาที²)(3 ม.) = 1,617 J
• กล่องเคลื่อนย้าย GPE = (30 กก.)(9.8 ม./วินาที²)(10 ม.) = 2,940 J
• Barbell GPE = (250 กก.)(9.8 ม./วินาที²)(0.5 ม.) = 1,470 J
  

ดังนั้น จากมากไปน้อย GPE ลำดับคือ: ย้ายกล่อง ผู้หญิง บาร์เบลล์

โปรดทราบว่าในทางคณิตศาสตร์ เนื่องจากวัตถุทั้งหมดอยู่บนโลกและมีค่าเท่ากับgการปล่อยหมายเลขนั้นออกไปจะยังคงส่งผลให้มีลำดับที่ถูกต้อง (แต่การทำเช่นนั้นจะไม่ให้พลังงานตามจริงเป็นจูล!)

ให้พิจารณาว่ากล่องเคลื่อนที่อยู่บนดาวอังคารแทนที่จะเป็นโลก บนดาวอังคาร ความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงมีค่าประมาณหนึ่งในสามของโลก นั่นหมายความว่ากล่องเคลื่อนที่จะมีปริมาณ GPE ประมาณหนึ่งในสามบนดาวอังคารที่ความสูง 10 เมตร หรือ 980 J