วิธีการคำนวณพลังงานศักย์

พลังงานศักย์ดูเหมือนจะเป็นเพียงพลังงานที่ยังไม่เกิดขึ้นจริง และการคิดอย่างนั้นสามารถกล่อมคุณให้เชื่อว่าไม่มีจริง ยืนใต้ตู้เซฟที่ลอยอยู่เหนือพื้นดิน 30 ฟุต และความคิดเห็นของคุณอาจเปลี่ยนไป ตู้นิรภัยมีพลังงานศักย์เนื่องจากแรงโน้มถ่วง และถ้ามีคนตัดเชือกที่ถือไว้ พลังงานนั้นจะเปลี่ยนไป ไปเป็นพลังงานจลน์ และเมื่อถึงเวลาที่ตู้เซฟมาถึงคุณ มันก็จะมีพลังงาน "ที่เกิดขึ้นจริง" เพียงพอที่จะทำให้คุณแตกแยก ปวดหัว

คำจำกัดความของพลังงานที่มีศักยภาพที่ดีกว่าคือพลังงานสะสม และต้องใช้ "งาน" เพื่อเก็บพลังงาน ฟิสิกส์มีคำจำกัดความเฉพาะของงาน - งานเสร็จสิ้นเมื่อแรงเคลื่อนวัตถุไปในระยะไกล งานเกี่ยวข้องกับพลังงาน มีหน่วยวัดเป็นจูลในระบบ SI ซึ่งเป็นหน่วยศักย์ไฟฟ้าและพลังงานจลน์ ในการแปลงงานเป็นพลังงานศักย์ คุณต้องต่อต้านแรงบางประเภท และมีหลายแรง แรงอาจเป็นแรงโน้มถ่วง สปริง หรือสนามไฟฟ้า ลักษณะของแรงจะกำหนดปริมาณพลังงานศักย์ที่คุณเก็บสะสมไว้โดยการทำงานกับแรงนั้น

วิธีการทำงานของแรงโน้มถ่วงคือวัตถุสองชิ้นดึงดูดกัน แต่ทุกสิ่งบนโลกมีขนาดเล็กมากเมื่อเทียบกับตัวดาวเคราะห์เองที่มีเพียงสนามโน้มถ่วงของโลกเท่านั้นที่มีนัยสำคัญ หากคุณยกร่างกาย (

สมมุติว่ายกตัวขึ้นสูง ห่า. ปริมาณงานที่คุณทำเพื่อให้สำเร็จคือแรง x ระยะทาง หรือ mgh. งานนั้นจะถูกเก็บไว้เป็นพลังงานศักย์ ดังนั้นสมการพลังงานศักย์สำหรับสนามโน้มถ่วงของโลกจึงเป็นดังนี้:

พลังงานศักย์โน้มถ่วง = mgh

สปริง ยางรัด และวัสดุยืดหยุ่นอื่นๆ สามารถเก็บพลังงานได้ ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วสิ่งที่คุณทำเมื่อคุณดึงคันธนูกลับก่อนจะยิงธนู เมื่อคุณยืดหรือบีบอัดสปริง สปริงจะออกแรงต้านเพื่อคืนสปริงกลับเป็น ตำแหน่งสมดุล ขนาดของแรงเป็นสัดส่วนกับระยะที่คุณยืดหรือบีบอัด มัน (x). ค่าคงที่ตามสัดส่วน (k) เป็นลักษณะของสปริง ตามกฎของฮุค F = −kx. เครื่องหมายลบแสดงถึงแรงฟื้นฟูของสปริงซึ่งกระทำไปในทิศทางตรงกันข้ามกับอันที่ยืดหรือบีบอัด

ในการคำนวณพลังงานศักย์ที่เก็บไว้ในวัสดุยืดหยุ่น คุณต้องรับรู้ว่าแรงจะมากขึ้นเป็น x เพิ่มขึ้น สำหรับระยะทางที่น้อยมาก F เป็นค่าคงที่ โดยการสรุปแรงของระยะอนันต์ทั้งหมดระหว่าง 0 (สมดุล) และส่วนต่อขยายหรือการบีบอัดขั้นสุดท้าย xคุณสามารถคำนวณงานที่ทำและพลังงานที่เก็บไว้ได้ กระบวนการสรุปนี้เป็นเทคนิคทางคณิตศาสตร์ที่เรียกว่าการบูรณาการ มันสร้างสูตรพลังงานที่มีศักยภาพสำหรับวัสดุยืดหยุ่น:

พลังงานศักย์ = kx²/2

ที่ไหน x เป็นส่วนขยายและ k คือค่าคงที่สปริง

พิจารณาย้ายประจุบวก q ภายในสนามไฟฟ้าที่เกิดจากประจุบวกที่มีขนาดใหญ่กว่า คิว. เนื่องจากแรงผลักไฟฟ้า จึงต้องมีการเคลื่อนย้ายประจุที่เล็กกว่าให้เข้าใกล้ประจุที่ใหญ่กว่า ตามกฎของคูลอมบ์ แรงระหว่างประจุ ณ จุดใด ๆ คือ kqQ/r²ที่ไหน r คือระยะห่างระหว่างกัน ในกรณีนี้, k คือค่าคงที่ของคูลอมบ์ ไม่ใช่ค่าคงที่สปริง นักฟิสิกส์แสดงว่าทั้งคู่โดย k. คุณคำนวณพลังงานศักย์โดยพิจารณาจากงานที่จำเป็นในการเคลื่อนย้าย q จากอันไกลโพ้น คิว ระยะทาง r. สิ่งนี้ให้สมการพลังงานศักย์ไฟฟ้า:

พลังงานศักย์ไฟฟ้า = kqQ/r

ศักย์ไฟฟ้าแตกต่างกันเล็กน้อย มันคือปริมาณพลังงานที่เก็บไว้ต่อหนึ่งหน่วยประจุ และเรียกว่าแรงดันไฟ วัดเป็นโวลต์ (จูล/คูลอมบ์) สมการศักย์ไฟฟ้าหรือแรงดันที่เกิดจากประจุ คิว ในระยะไกล r คือ:

ศักย์ไฟฟ้า = kQ/r