Потенційна енергія звучить так, ніби це просто енергія, яка не стала актуалізованою, і якщо думати про неї так, це може заколисувати вас у тому, що вона не є реальною. Встаньте під сейф, підвішений на 30 футів над землею, і ваша думка може змінитися. Сейф має потенційну енергію через силу тяжіння, і якщо хтось переріже мотузку, утримуючи його, ця енергія перетвориться в кінетичну енергію, і до того моменту, коли сейф дійде до вас, у нього вистачить "актуалізованої" енергії, щоб дати вам розщеплення головний біль.
Краще визначення потенційної енергії - це накопичена енергія, і для її накопичення потрібна "робота". Фізика має конкретне визначення роботи - робота виконується, коли сила рухає предмет на відстань. Робота пов’язана з енергією. Він вимірюється в джоулях в системі СІ., Які також є одиницями потенційної та кінетичної енергії. Щоб перетворити роботу в потенційну енергію, вам доведеться діяти проти певного виду сили, а їх декілька. Силою може бути гравітація, пружина або електричне поле. Характеристики сили визначають кількість потенційної енергії, яку ви накопичуєте, виконуючи роботу проти неї.
Формула потенційної енергії для гравітаційного поля Землі
Принцип дії гравітації полягає в тому, що два тіла притягують одне одного, але все на землі настільки мало в порівнянні з самою планетою, що лише гравітаційне поле Землі є значним. Якщо підняти тіло (м) над землею це тіло відчуває силу, яка прагне прискорити його до землі. Величина сили (F), з 2-го закону Ньютона, дається формулою F = мг, де g - це прискорення завдяки силі тяжіння, яке є постійною величиною всюди на Землі.
Припустимо, ви піднімаєте тіло на висоту h. Кількість роботи, яку ви робите для цього, - сила × відстань, або mgh. Ця робота зберігається як потенційна енергія, тому рівняння потенційної енергії для гравітаційного поля Землі просто:
Гравітаційна потенційна енергія = mgh
Пружна потенційна енергія
Пружини, гумки та інші еластичні матеріали можуть накопичувати енергію, що, по суті, ви робите, коли відтягуєте лук безпосередньо перед стрільбою стрілою. Коли ви розтягуєте або стискаєте пружину, вона надає протилежну силу, що діє для відновлення пружини положення рівноваги Величина сили пропорційна відстані, яку ви розтягуєте або стискаєте це (х). Постійна пропорційності (k) характерно для весни. Відповідно до закону Гука, F = −kx. Знак мінус вказує на відновлювальну силу пружини, яка діє в протилежному напрямку до тієї, що її розтягує або стискає.
Щоб розрахувати потенційну енергію, що зберігається в еластичному матеріалі, ви повинні визнати, що сила стає більшою, як х збільшується. Однак на нескінченно малій відстані F постійна. Підсумовуючи сили всіх нескінченно малих відстаней між 0 (рівновага) та остаточним розширенням або стиском х, Ви можете розрахувати виконану роботу та накопичену енергію. Цей процес підсумовування є математичним прийомом, який називається інтеграцією. Він дає формулу потенційної енергії для еластичного матеріалу:
Потенційна енергія = kx2/2
де х є розширенням і k - константа весни.
Електричний потенціал або напруга
Подумайте про переміщення позитивного заряду q в межах електричного поля, породженого більшим позитивним зарядом З. Через електричні сили відштовхування потрібна робота, щоб перемістити менший заряд ближче до більшого. Відповідно до закону Кулона сила між звинуваченнями в будь-який момент становить kqQ/р2, де р - відстань між ними. В цьому випадку, k - константа Кулона, а не константа пружини. Обох фізики позначають через k. Ви розраховуєте потенційну енергію, враховуючи роботу, необхідну для руху q з нескінченно далекого від З на його відстань р. Це дає рівняння електричної потенціальної енергії:
Електрична потенційна енергія = kqQ/р
Електричний потенціал дещо відрізняється. Це кількість енергії, що зберігається на одиницю заряду, і вона відома як напруга, вимірюється у вольтах (джоулі / кулон). Рівняння для електричного потенціалу або напруги, що генеруються зарядом З на відстані р це:
Електричний потенціал = kQ/р