ENERGIA POTENCJALNA: CHARAKTERYSTYKA, RODZAJE, OBLICZENIA I PRZYKŁADY - FIZYCZNY - 2025

Energia potencjalna to energia, która tworzy swoją własną konfigurację. Kiedy przedmioty oddziałują na siebie, istnieją między nimi siły zdolne do wykonywania pracy, a ta zdolność do wykonywania pracy, która jest zmagazynowana w ich układzie, może zostać przekształcona w energię.

Na przykład ludzie od niepamiętnych czasów wykorzystywali energię potencjalną wodospadów, najpierw obracając młyny, a następnie w hydroelektrowniach.

Wodospad Niagara: ogromny rezerwuar grawitacyjnej energii potencjalnej. Źródło: Pixabay.

Z drugiej strony wiele materiałów ma niezwykłą zdolność do pracy poprzez deformację, a następnie powrót do swojego pierwotnego rozmiaru. A w innych okolicznościach układ ładunku elektrycznego umożliwia magazynowanie elektrycznej energii potencjalnej, jak na przykład w kondensatorze.

Energia potencjalna daje wiele możliwości przekształcenia się w inne formy energii użytkowej, stąd tak ważna jest znajomość praw, które nią rządzą.

Pochodzenie energii potencjalnej

Energia potencjalna obiektu ma swoje źródło w siłach, które na niego działają. Jednak energia potencjalna jest wielkością skalarną, podczas gdy siły są wektorami. Dlatego dla określenia energii potencjalnej wystarczy wskazać jej wartość liczbową oraz wybrane jednostki.

Inną ważną cechą jest rodzaj siły, z jaką można zmagazynować energię potencjalną, ponieważ nie każda siła ma tę zaletę. Tylko siły zachowawcze przechowują energię potencjalną w systemach, na które działają.

Siła konserwatywna to taka, dla której praca nie zależy od ścieżki, po której przebywa obiekt, ale tylko od punktu początkowego i punktu przybycia. Siłą napędzającą spadającą wodę jest grawitacja, która jest siłą zachowawczą.

Z drugiej strony, siły sprężyste i elektrostatyczne również mają tę właściwość, dlatego jest z nimi związana energia potencjalna.

Siły, które nie spełniają powyższego warunku, nazywane są niekonserwatywnymi; Przykładami tego są tarcie i opór powietrza.

Rodzaje energii potencjalnej

Ponieważ energia potencjalna zawsze pochodzi z sił zachowawczych, takich jak te już wspomniane, mówimy o potencjalnej energii grawitacyjnej, elastycznej energii potencjalnej, elektrostatycznej energii potencjalnej, jądrowej energii potencjalnej i chemicznej energii potencjalnej.

Grawitacyjna energia potencjalna

Każdy obiekt ma energię potencjalną jako funkcję jego wysokości nad ziemią. Ten pozornie prosty fakt pokazuje, dlaczego spadająca woda może napędzać turbiny i ostatecznie przekształcić się w energię elektryczną. Pokazany tutaj przykład narciarza również pokazuje zależność wagi i wzrostu od grawitacyjnej energii potencjalnej.

Innym przykładem jest wagon typu roller coaster, który ma wyższą energię potencjalną, gdy znajduje się na określonej wysokości nad ziemią. Po osiągnięciu poziomu gruntu jego wysokość jest równa zeru, a cała jego energia potencjalna została przekształcona w energię kinetyczną (energię ruchu).

Animacja przedstawia wymianę pomiędzy grawitacyjną energią potencjalną a energią kinetyczną obiektu poruszającego się po rollercoasterze. Suma obu energii, zwana energią mechaniczną, jest stała podczas całego ruchu. Źródło: Wikimedia Commons.

Elastyczna Energia potencjalna

Obiekty takie jak sprężyny, łuki, kusze i gumki są zdolne do magazynowania elastycznej energii potencjalnej.

Wyciągając łuk, łucznik wykonuje pracę, która jest przechowywana jako energia potencjalna systemu łuk-strzała. Kiedy puszczasz łuk, energia ta jest przekształcana w ruch strzały. Źródło: Pixabay.

Elastyczność ciała lub materiału opisuje prawo Hooke'a (do pewnych granic), które mówi nam, że siła, jaką może wywierać, gdy jest ściskany lub rozciągany, jest proporcjonalna do jego odkształcenia.

Na przykład w przypadku sprężyny lub sprężyny oznacza to, że im bardziej się kurczy lub rozciąga, tym większą siłę może wywierać na przedmiot umieszczony na jednym końcu.

Energia potencjalna elektrostatyczna

Jest to energia, którą posiadają ładunki elektryczne z racji swojej konfiguracji. Ładunki elektryczne tego samego znaku odpychają się wzajemnie, więc aby umieścić parę ładunków dodatnich lub ujemnych w określonej pozycji, musi działać czynnik zewnętrzny. W przeciwnym razie mieliby tendencję do rozdzielania się.

Praca ta jest przechowywana w sposób, w jaki znajdowały się ładunki. Im bliżej ładunków tego samego znaku, tym wyższa energia potencjalna będzie miała konfiguracja. Odwrotnie dzieje się w przypadku wielu różnych znaków; Ponieważ się przyciągają, im bliżej są, tym mniej energii mają.

Jądrowa energia potencjalna

Przybliżona reprezentacja atomu helu. W jądrze protony są reprezentowane na czerwono, a neutrony na niebiesko.

Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, ogólnie nazywanych nukleonami. Te pierwsze mają dodatni ładunek elektryczny, a drugie są neutralne.

Ponieważ są one skupione w niewielkiej przestrzeni poza wyobraźnią i wiedząc, że ładunki tego samego znaku odpychają się, można się zastanawiać, jak jądro atomowe pozostaje spójne.

Odpowiedzią są inne siły oprócz odpychania elektrostatycznego, charakterystyczne dla jądra, takie jak silne oddziaływanie jądrowe i słabe oddziaływanie jądrowe. Są to bardzo duże siły, znacznie przewyższające siłę elektrostatyczną.

Chemiczna energia potencjalna

Ta forma energii potencjalnej pochodzi z ułożenia atomów i cząsteczek substancji zgodnie z różnymi typami wiązań chemicznych.

Gdy zachodzi reakcja chemiczna, energię tę można przekształcić w inne rodzaje, na przykład za pomocą ogniwa lub baterii elektrycznej.

Przykłady energii potencjalnej

Potencjalna energia jest obecna w życiu codziennym na wiele sposobów. Obserwowanie jego efektów jest tak proste, jak umieszczenie dowolnego przedmiotu na określonej wysokości i upewnienie się, że w dowolnym momencie może on się przetoczyć lub spaść.

Oto kilka przejawów wcześniej opisanych typów energii potencjalnej:

-Kolejki górskie

-Samochody lub piłki toczące się w dół

-Łuki i strzały

-Baterie elektryczne

-Zegar wahadłowy

Kiedy jedna ze sfer na końcach zostaje wprawiona w ruch, ruch jest przenoszony na pozostałe. Źródło: Pixabay.

-Swing na huśtawce

-Wskocz na trampolinę

-Użyj wysuwanego długopisu.

Zobacz: przykłady energii potencjalnej.

Obliczanie energii potencjalnej

Energia potencjalna zależy od pracy wykonanej przez siłę, a ta z kolei nie zależy od trajektorii, więc można stwierdzić, że:

-Jeśli A i B są dwoma punktami, praca W _AB potrzebna do przejścia z A do B jest równa pracy potrzebnej do przejścia z B do A. Zatem: W _AB = W _BA , więc:

-I jeśli dwie różne trajektorie 1 i 2 spróbują połączyć wspomniane punkty A i B, praca wykonana w obu przypadkach jest również taka sama:

W ₁ = W ₂ .

W obu przypadkach obiekt doświadcza zmiany energii potencjalnej:

Otóż ​​energia potencjalna obiektu jest definiowana jako negatyw pracy wykonanej przez (zachowawczą) siłę:

Ale ponieważ praca jest zdefiniowana przez tę całkę:

:

Zwróć uwagę, że jednostki energii potencjalnej są takie same jak jednostki pracy. W Międzynarodowym Systemie SI jednostką jest dżul, w skrócie J i równy 1 niuton x metr, przez angielskiego fizyka Jamesa Joule'a (1818-1889).

Inne jednostki energii to cgs erg, funt-siła x stopa, BTU (British Thermal Unit), kalorie i kilowatogodzina.

Zobaczmy poniżej kilka konkretnych przypadków, jak obliczyć energię potencjalną.

Obliczanie grawitacyjnej energii potencjalnej

W pobliżu powierzchni ziemi siła grawitacji skierowana jest pionowo w dół, a jej wielkość jest określona równaniem Masa = masa x grawitacja.

Oznaczając oś pionową literą „y” i przypisując do tego kierunku wektor jednostkowy j , dodatni w górę i ujemny w dół, zmiana energii potencjalnej, gdy ciało przemieszcza się z y = y _A do y = i _B jest :

Obliczanie sprężystej energii potencjalnej

Prawo Hooke'a mówi nam, że siła jest proporcjonalna do odkształcenia:

Tutaj x jest odkształceniem, a k jest stałą własną sprężyny, wskazującą na jej sztywność. Za pomocą tego wyrażenia obliczana jest sprężysta energia potencjalna, biorąc pod uwagę, że i jest wektorem jednostkowym w kierunku poziomym:

Obliczanie elektrostatycznej energii potencjalnej

Kiedy masz punktowy ładunek elektryczny Q, wytwarza on pole elektryczne, które postrzega inny ładunek punktowy q i które działa na niego, gdy jest przemieszczane z jednej pozycji do drugiej w środku pola. Siła elektrostatyczna między dwoma ładunkami punktowymi ma kierunek promieniowy, symbolizowany przez wektor jednostkowy r :

Przykładowy rysunek 1. Źródło: F. Zapata.

Rozwiązanie

Kiedy blok znajduje się na wysokości h _A w stosunku do podłogi, ma grawitacyjną energię potencjalną ze względu na swoją wysokość. Po uwolnieniu ta potencjalna energia jest stopniowo przekształcana w energię kinetyczną, a gdy zsuwa się po gładkiej zakrzywionej rampie, jej prędkość wzrasta.

Na drodze od A do B nie można zastosować równań ruchu prostoliniowego o zmiennej równomierności. Chociaż grawitacja jest odpowiedzialna za ruch bloku, ruch, którego doświadcza, jest bardziej złożony, ponieważ trajektoria nie jest prostoliniowa.

Zachowanie energii na ścieżce AB

Jednakże, ponieważ grawitacja jest siłą zachowawczą i nie ma tarcia na rampie, możesz użyć zasady zachowania energii mechanicznej, aby znaleźć prędkość na końcu rampy:

Wyrażenie jest uproszczone, zauważając, że w każdym wyrażeniu pojawia się masa. Jest zwalniany z reszty v _A = 0, a h _B jest na poziomie gruntu, h _B = 0. Dzięki tym uproszczeniom wyrażenie sprowadza się do:

Praca wykonana przez wcieranie w sekcji BC

Teraz blok rozpoczyna swoją podróż po nierównym odcinku z tą prędkością i ostatecznie zatrzymuje się w punkcie C. Dlatego v _C = 0. Energia mechaniczna nie jest już zachowywana, ponieważ tarcie jest siłą rozpraszającą, która utworzyła praca na bloku podanym przez:

Ta praca ma znak ujemny, ponieważ tarcie kinetyczne spowalnia obiekt, przeciwstawiając się jego ruchowi. Wielkość tarcia kinetycznego f _k wynosi:

Gdzie N jest wielkością siły normalnej. Powierzchnia wywiera normalną siłę na blok, a ponieważ powierzchnia jest całkowicie pozioma, równoważy ciężar P = mg, dlatego wartość normalnej wynosi:

Który prowadzi do:

Praca, którą wykonuje f _k na bloku, to: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Obliczanie zmian energii mechanicznej

Ta praca jest równoważna zmianie energii mechanicznej, obliczonej w następujący sposób:

W tym równaniu są pewne terminy, które znikają: K _C = 0, ponieważ blok zatrzymuje się na C i U _C = U _B również znikają , ponieważ te punkty są na poziomie gruntu. Uproszczenie skutkuje:

Masa ponownie anuluje się i D można uzyskać w następujący sposób:

Bibliografia

1. Bauer, W. 2011. Fizyka dla inżynierii i nauki. Tom 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Seria: Fizyka dla nauki i inżynierii. Tom 2. Dynamika. Pod redakcją Douglasa Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizyka: Zasady z zastosowaniami. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Osoba.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14. Ed. Tom 1-2.