Усі студенти фізики мають потенціал - тобто потенційну енергію. Але ті, хто знайде час, щоб визначити, що це означає з точки зору фізикибільше потенціалувпливати на навколишній світ, ніж ті, хто цього не робить. Принаймні, вони зможуть свідомо відповісти настирливому дорослому за допомогою мему з інтернету: "Я не лінивий, я переповнений потенційною енергією".
Що таке потенційна енергія?
Поняття потенційної енергії спочатку може здатися заплутаним. Але коротше, ви можете сприймати потенційну енергію як накопичену. Він маєпотенціалперетворитися в рух і змусити щось трапитися, наприклад, батарею, яка ще не підключена, або тарілку із спагетті, яку бігун збирається з’їсти за ніч до перегонів.
Потенційна енергія - одна з трьох широких категорій енергії, що зустрічаються у Всесвіті. Інші дві - це кінетична енергія, яка є енергією руху, і теплова енергія, яка є особливим, багаторазовим типом кінетичної енергії.
Без потенційної енергії жодна енергія не може бути збережена для подальшого використання. На щастя, існує багато потенційної енергії, і вона постійно перетворюється між собою та кінетичною енергією, роблячи речі реальними.
З кожним перетворенням деяка потенційна та кінетична енергія перетворюється на теплову енергію, також відому як тепло. Врешті-решт, вся енергія Всесвіту буде перетворена в теплову енергію, і вона зазнає "теплової смерті", коли більше не буде потенційної енергії. Але до того далекого майбутнього часу потенційна енергія буде тримати можливості для дій відкритими.
Одиницею SI для потенційної енергії та будь-якої енергії для цього є джоуль, де 1 джоуль = 1 (ньютон) (метр).
Види та приклади потенційної енергії
Існує багато видів потенційної енергії. Серед цих видів енергії є:
Механічна потенційна енергія:Також відомий як гравітаційна потенційна енергія, або GPE, це відноситься до енергії, що зберігаєтьсяположення об’єкта щодо гравітаційного поля, такого як поблизу поверхні Землі.
Наприклад, книга, що сидить у верхній частині полиці, може впасти через силу тяжіння. Чим він вищий по відношенню до землі - і, отже, по відношенню до Землі, джерела гравітаційного поля - тим довше падіння він може пройти. Про це далі.
Хімічна потенційна енергія:Енергія, що зберігається в молекулярних зв’язках, - це хімічна енергія. Він може виділятися і перетворюватися в кінетичну енергію, розриваючи зв’язки.Отже, чим більше зв’язків у молекулі, тим більше потенційної енергії вона містить.
Наприклад, під час вживання їжі процес травлення розщеплює молекули жирів, білків, вуглеводів або амінокислот, щоб організм міг використовувати цю енергію для руху. Оскільки жири є найдовшими з тих молекул, у яких найбільше зв’язків між атомами, вони накопичують найбільше енергії.
Подібним чином, колоди, що використовуються в багатті, містять хімічну потенційну енергію, яка виділяється при їх спалюванні та розриві зв’язків між молекулами в деревині. Все, що вимагає хімічної реакції, щоб "поїхати", включаючи використання акумуляторів або спалювання бензину в машині, містить хімічну потенційну енергію.
Пружна потенційна енергія:Ця форма потенційної енергії - це енергія, накопичена при деформації об’єкта від його нормальної форми. Коли предмет розтягується або стискається від початкової форми - скажімо, витягнута гумка або пружина, яка тримається в щільній котушці - він маєпотенціалщоб пружинити або відскочити при звільненні. Або на м'яку подушку дивана натискають відбиток того, хто сидить на ній, так що, коли вони стоять, відбиток повільно піднімається назад, поки диван не виглядає так, як це було до того, як вони сіли.
Ядерна потенційна енергія:Багато потенційної енергії зберігається ядерними силами, що утримують атоми. Наприклад, сильна ядерна сила всередині ядра, що утримує на місці протони та нейтрони. Ось чому так важко розщепити атоми - процес, який відбувається лише в ядерних реакторах, прискорювачах частинок, центрах зірок чи інших ситуаціях з високою енергією.
Щоб не плутати з хімічною потенційною енергією, ядерна потенційна енергія зберігаєтьсявсередині окремих атомів. Як зазначено в їх назві, атомні бомби представляють одне з найбільш агресивних видів використання ядерної потенціальної енергії.
Потенційна електрична енергія:Ця енергія зберігається, утримуючи електричні заряди в певній конфігурації. Наприклад, коли светр, що має багато накопичених негативних зарядів, наближається до позитивного або нейтрального предмета, він маєпотенціалвикликати рух, залучаючи позитивні заряди та відбиваючи інші негативні заряди.
Будь-яка одна заряджена частинка, яка утримується в електричному полі, також має електричну потенційну енергію. Цей приклад є аналогом гравітаційної потенціальної енергії тим, що саме положення заряду щодо електричного поля визначає його кількість потенційної енергії, подібно до того, як положення об'єкта щодо гравітаційного поля визначає його GPE.
Формула гравітаційної потенційної енергії
Гравітаційна потенційна енергія, або ГПЕ, є одним з небагатьох видів енергії, для якої студенти фізики середньої школи зазвичай проводять обчислення (інші - це лінійна та обертальна кінетична енергія). Це результат гравітаційної сили. Змінні, що впливають на кількість GPE об’єкта, - це масам,прискорення за рахунок сили тяжінняg, і висотаh.
GPE = mgh
Де GPE вимірюється в джоулях (J), маса в кілограмах (кг), прискорення за рахунок сили тяжіння в метрах за секунду в секунду (м / с2) та висота в метрах (м).
Зверніть увагу, що на Земліgзавжди вважається рівним 9,8 м / с2. В інших місцях, де Земля не є місцевим джерелом гравітаційного прискорення, наприклад, на інших планетах,gмає інші значення.
Формула GPE передбачає, що чим масивніший об'єкт або чим вище він розміщений, тим більше потенційної енергії він містить. Це, в свою чергу, пояснює, чому копійка, що впала з верхньої частини будівлі, буде йти набагато швидше внизу, ніж та, яка впала з кишені людини прямо над тротуаром. (Це також ілюстрація збереження енергії: у міру падіння об’єкта відбувається його потенційна енергія зменшується, тому його кінетична енергія повинна збільшитися на стільки ж, щоб загальна енергія залишалася постійний.)
Початок на більшій висоті означає, що копійка буде прискорюватися вниз на більшій відстані, що призведе до швидшої швидкості до кінця поїздки. Або, щоб продовжувати пересування на більшу відстань, копійка на даху, мабуть, почалася з більшою потенційною енергією, яку формула GPE визначає кількісно.
Приклад GPE
Розташуйте наступні об'єкти від найбільшої до найменшої гравітаційної потенційної енергії:
- 50-кілограмова жінка на вершині 3-метрової драбини
- 30-кілограмовий рухомий ящик у верхній частині 10-метрової посадки
- Штанга вагою 250 кг трималася на висоті 0,5 м над головою силового підйомника
Для їх порівняння розрахуйте GPE для кожної ситуації, використовуючи формулу GPE = mgh.
- Жінка GPE = (55 кг) (9,8 м / с2) (3 м) = 1617 Дж
- Рухома коробка GPE = (30 кг) (9,8 м / с2) (10 м) = 2940 Дж
- GPE штанги = (250 кг) (9,8 м / с2) (0,5 м) = 1470 Дж
Отже, від більшості до найменшого GPE порядок такий: рухомий ящик, жінка, штанга.
Зауважимо, що математично, оскільки всі об’єкти знаходились на Землі і мали однакове значення дляg, залишення цього номера все одно призведе до правильного порядку (але якщо це буде такнідайте фактичну кількість енергії в джоулях!).
Натомість розглянемо, що рухомий ящик знаходився на Марсі, а не на Землі. На Марсі прискорення завдяки силі тяжіння становить приблизно третину, ніж на Землі. Це означає, що рухомий ящик мав би приблизно третину кількості GPE на Марсі на висоті 10 м, або 980 Дж.