Potansiyel Enerji: Nedir ve Neden Önemlidir (Formül ve Örneklerle)

Tüm fizik öğrencilerinin potansiyeli vardır – potansiyel enerji, yani. Ancak bunun fizik açısından ne anlama geldiğini belirlemek için zaman ayıranlar,daha fazla potansiyeletraflarındaki dünyayı etkilemeyenlerden daha fazla etkilemek için. En azından, dırdır eden bir yetişkine bir internet meme esprisi ile bilerek cevap verebilecekler: "Tembel değilim, potansiyel enerjiyle dolup taşıyorum."

Potansiyel enerji kavramı ilk başta kafa karıştırıcı görünebilir. Ama kısacası potansiyel enerjiyi depolanmış enerji olarak düşünebilirsiniz. sahippotansiyelhenüz bağlanmamış bir pil veya bir koşucunun yarıştan önceki gece yemek üzere olduğu bir tabak spagetti gibi harekete dönüştürmek ve bir şeyi gerçekleştirmek.

Potansiyel enerji, evrende bulunan üç geniş enerji kategorisinden biridir. Diğer ikisi, hareket enerjisi olan kinetik enerji ve özel, yeniden kullanılamayan bir kinetik enerji türü olan termal enerjidir.

Potansiyel enerji olmadan, daha sonra kullanılmak üzere hiçbir enerji kaydedilemez. Neyse ki, bol miktarda potansiyel enerji var ve kendisi ile kinetik enerji arasında sürekli olarak ileri geri dönüşüyor, bir şeyler olmasını sağlıyor.

Her dönüşümde, bir miktar potansiyel ve kinetik enerji, ısı olarak da bilinen termal enerjiye dönüşür. Sonunda, tüm evrenin enerjisi termal enerjiye dönüştürülecek ve daha fazla potansiyel enerji olmadığında "ısı ölümü" yaşayacaktır. Ancak o çok uzak gelecek zamana kadar, potansiyel enerji eylem olasılıklarını açık tutacaktır.

Potansiyel enerji ve bu konudaki herhangi bir enerji için SI birimi, 1 joule = 1 (newton)(metre) olmak üzere joule'dür.

Birçok potansiyel enerji türü vardır. Bu enerji biçimleri arasında şunlar bulunur:

​Mekanik potansiyel enerji:Yerçekimi potansiyel enerjisi veya GPE olarak da bilinen bu, bir cisim tarafından depolanan enerjiyi ifade eder.nesnenin yerçekimi alanına göre konumu, örneğin Dünya yüzeyine yakın olan​.

Örneğin, bir rafın tepesinde duran bir kitap, yerçekimi kuvveti nedeniyle düşme potansiyeline sahiptir. Yere göre - ve dolayısıyla yerçekimi alanının kaynağı olan Dünya'ya göre - ne kadar yüksekse, düşme o kadar uzun süre geçme potansiyeline sahiptir. Bu konuda daha sonra.

​Kimyasal potansiyel enerji:Moleküler bağlarda depolanan enerji kimyasal enerjidir. Bağları kırarak serbest bırakılabilir ve kinetik enerjiye dönüştürülebilir.Bu nedenle, bir molekülde ne kadar çok bağ varsa, o kadar fazla potansiyel enerji içerir.​

Örneğin, yemek yerken, sindirim süreci yağ, protein, karbonhidrat veya amino asit moleküllerini parçalar, böylece vücut bu enerjiyi hareket etmek için kullanabilir. Yağlar, atomlar arasında en fazla bağa sahip olan moleküllerin en uzunu olduğu için en fazla enerjiyi depolarlar.

Benzer şekilde, bir kamp ateşinde kullanılan kütükler, yandıklarında açığa çıkan kimyasal potansiyel enerjiyi içerir ve odundaki moleküller arasındaki bağlar kırılır. Bir arabada pil kullanmak veya benzin yakmak da dahil olmak üzere, "gitmek" için kimyasal reaksiyon gerektiren her şey kimyasal potansiyel enerji içerir.

​Elastik potansiyel enerji:Bu potansiyel enerji formu, bir cismin normal şeklinden deformasyonunda depolanan enerjidir. Bir nesne, orijinal şeklinden gerildiğinde veya sıkıştırıldığında - örneğin dışarı çekilen bir lastik bant veya sıkı bir bobin içinde tutulan bir yay -potansiyelserbest bırakıldığında yaylanmak veya geri sıçramak için. Ya da yumuşacık bir koltuk minderine üzerinde oturan birinin damgası basılır, böylece onlar ayağa kalktıklarında, koltuk oturmadan önceki gibi görünene kadar baskı yavaşça geriye doğru yükselir.

​Nükleer potansiyel enerji:Atomları bir arada tutan nükleer kuvvetler tarafından çok fazla potansiyel enerji depolanır. Örneğin, protonları ve nötronları yerinde tutan bir çekirdeğin içindeki güçlü nükleer kuvvet. Bu nedenle atomları bölmek çok zordur, bu sadece nükleer reaktörlerde, parçacık hızlandırıcılarda, yıldız merkezlerinde veya diğer yüksek enerji durumlarında meydana gelen bir süreçtir.

Kimyasal potansiyel enerji ile karıştırılmamalıdır, nükleer potansiyel enerji depolanırbireysel atomların içinde. Adından da anlaşılacağı gibi, atom bombaları, nükleer potansiyel enerjinin insanlığın en agresif kullanımlarından birini temsil eder.

​Elektrik potansiyel enerjisi:Bu enerji, belirli bir konfigürasyonda elektrik yüklerini tutarak depolanır. Örneğin, çok sayıda negatif yükü olan bir kazak, pozitif veya nötr bir nesneye yaklaştırıldığında,potansiyelpozitif yükleri çekerek ve diğer negatif yükleri iterek harekete neden olmak.

Bir elektrik alanında yerinde tutulan herhangi bir tek yüklü parçacık da elektrik potansiyel enerjisine sahiptir. Bu örnek, yerçekimi potansiyel enerjisine benzer, çünkü yükün elektrik alanına göre konumu tıpkı bir nesnenin yerçekimi alanına göre konumunun GPE'sini belirlemesi gibi, potansiyel enerji miktarını belirler.

Yerçekimi potansiyel enerjisi veya GPE, lise fizik öğrencilerinin tipik olarak hesaplamalar yaptığı birkaç enerji türünden biridir (diğerleri doğrusal ve dönme kinetik enerjisidir). Yerçekimi kuvvetinden kaynaklanır. Bir nesnenin sahip olduğu GPE miktarını etkileyen değişkenler kütledir.ben,yerçekimi nedeniyle ivmegve yükseklikh.​

GPE'nin joule (J), kütlenin kilogram (kg) cinsinden, yerçekimine bağlı ivmenin metre/saniye (m/sn) cinsinden ölçüldüğü durumlarda²) ve metre (m) cinsinden yükseklik.

Dikkat edin, Dünya'da,gher zaman 9,8 m/s'ye eşit olarak kabul edilir². Diğer gezegenlerde olduğu gibi, Dünya'nın yerel yerçekimi ivmesi kaynağı olmadığı diğer yerlerde,gbaşka değerlere sahiptir.

GPE formülü, bir nesne ne kadar büyükse veya ne kadar yükseğe yerleştirilirse, içerdiği potansiyel enerjinin o kadar fazla olduğunu ima eder. Bu da, bir binanın tepesinden atılan bir kuruşun, kaldırımın hemen üzerinde bir kişinin cebinden düşen bir kuruştan neden daha aşağıdan daha hızlı gittiğini açıklıyor. (Bu aynı zamanda enerjinin korunumunun bir örneğidir: nesne düşerken potansiyel enerjisi azalır, bu nedenle toplam enerjinin kalması için kinetik enerjisinin aynı miktarda artması gerekir. sabit.)

Daha yüksek bir yükseklikten başlamak, kuruşun daha uzun bir mesafe boyunca aşağı doğru hızlanacağı ve yolculuğun sonunda daha hızlı bir hıza neden olacağı anlamına gelir. Veya daha uzun bir mesafe boyunca ilerlemeye devam etmek için çatıdaki kuruş, GPE formülünün ölçtüğü daha fazla potansiyel enerji ile başlamış olmalıdır.

Aşağıdaki nesneleri en çok yerçekimi potansiyel enerjisinden en aza doğru sıralayın:

• 3 metrelik bir merdivenin tepesinde 50 kg'lık bir kadın
• 10 m'lik bir inişin tepesinde 30 kg'lık hareketli bir kutu
• Bir güç kaldırıcının başının 0,5 m yukarısında tutulan 250 kg'lık bir halter

Bunları karşılaştırmak için, GPE = mgh formülünü kullanarak her durum için GPE'yi hesaplayın.

• Kadın GPE = (55 kg)(9,8 m/sn)²)(3 m) = 1,617 J
• Hareketli kutu GPE = (30 kg)(9,8 m/sn)²)(10 m) = 2.940 J
• Halter GPE = (250 kg)(9,8 m/sn)²)(0.5 m) = 1.470 J
  

Yani, en çoktan en aza doğru sıralama şöyledir: hareketli kutu, kadın, halter.

Matematiksel olarak, tüm nesneler Dünya'da olduğundan ve aynı değere sahip olduğuna dikkat edin.g, bu sayıyı dışarıda bırakmak yine de doğru sırada sonuçlanır (ancak bunu yapmakdeğilgerçek enerji miktarlarını joule cinsinden verin!).

Bunun yerine, hareketli kutunun Dünya yerine Mars'ta olduğunu düşünün. Mars'ta, yerçekiminden kaynaklanan ivme, Dünya'dakinin kabaca üçte biri kadardır. Bu, hareketli kutunun, 10 m yükseklikte veya 980 J'de Mars'taki GPE miktarının yaklaşık üçte birine sahip olacağı anlamına gelir.