Zawartość
- Wzór na energię potencjalną dla ziemskiego pola grawitacyjnego
- Elastyczna Energia potencjalna
- Potencjał elektryczny lub napięcie
Potencjalna energia brzmi jak jej zwykła energia, która nie została zaktualizowana, a myślenie o niej w ten sposób może sprawić, że uwierzysz, że to nie jest rzeczywiste. Stań jednak pod sejfem zawieszonym 30 stóp nad ziemią, a twoja opinia może się zmienić. Sejf ma energię potencjalną z powodu siły grawitacji, a gdyby ktoś przeciął linę trzymającą go, ta energia zamieniłaby się w energię kinetyczną, a zanim sejf by do ciebie dotarł, miałby wystarczająco „zaktualizowanej” energii, aby dać rozdzierający ból głowy.
Lepszą definicją energii potencjalnej jest energia zmagazynowana, a przechowywanie energii wymaga „pracy”. Fizyka ma określoną definicję pracy - praca jest wykonywana, gdy siła porusza obiekt na odległość. Praca związana jest z energią. Zmierzono go w dżulach w układzie SI, które są również jednostkami energii potencjalnej i kinetycznej. Aby przekształcić pracę w energię potencjalną, musisz działać przeciwko konkretnemu rodzajowi siły, a jest ich kilka. Siła może być grawitacją, sprężyną lub polem elektrycznym. Charakterystyka siły określa ilość potencjalnej energii, którą gromadzisz, wykonując pracę przeciwko niej.
Wzór na energię potencjalną dla ziemskiego pola grawitacyjnego
Działanie grawitacji polega na tym, że dwa ciała przyciągają się, ale wszystko na Ziemi jest tak małe w porównaniu z samą planetą, że znaczące jest tylko ziemskie pole grawitacyjne. Jeśli podnosisz ciało (m) nad ziemią, ciało to doświadcza siły, która powoduje przyspieszenie w kierunku ziemi. Wielkość siły (fa), z drugiego prawa Newtona, podaje fa = mg, gdzie sol to przyspieszenie ziemskie, które jest stałe wszędzie na Ziemi.
Załóżmy, że podnosisz ciało na wysokość h. Ilość pracy, którą wykonujesz, aby to osiągnąć, to siła × odległość lub mgh. Ta praca jest przechowywana jako energia potencjalna, więc równanie energii potencjalnej dla ziemskiego pola grawitacyjnego jest po prostu:
Grawitacyjna energia potencjalna = mgh
Elastyczna Energia potencjalna
Sprężyny, gumki i inne elastyczne materiały mogą magazynować energię, co jest zasadniczo tym, co robisz, gdy odsuwasz łuk tuż przed wystrzeleniem strzały. Podczas rozciągania lub ściskania sprężyny wywiera ona siłę przeciwną do przywracania sprężyny do jej położenia równowagi. Wielkość siły jest proporcjonalna do odległości, którą ją rozciągasz lub ściskasz (x). Stała proporcjonalności (k) jest charakterystyczne dla wiosny. Zgodnie z prawem Hookesa fa = −kx. Znak minus wskazuje siłę przywracającą sprężynę, która działa w kierunku przeciwnym do tego, który ją rozciąga lub ściska.
Aby obliczyć energię potencjalną zmagazynowaną w elastycznym materiale, musisz rozpoznać, że siła staje się większa x wzrasta. Jednak dla nieskończenie małej odległości F jest stałe. Przez zsumowanie sił wszystkich nieskończenie małych odległości od 0 (równowaga) do końcowego rozszerzenia lub ściskania x, możesz obliczyć wykonaną pracę i zmagazynowaną energię. Ten proces sumowania jest matematyczną techniką zwaną integracją. Wytwarza formułę energii potencjalnej dla elastycznego materiału:
Energia potencjalna = kx2/2
gdzie x jest rozszerzeniem i k jest stałą sprężystą.
Potencjał elektryczny lub napięcie
Rozważ przeniesienie ładunku dodatniego q w polu elektrycznym generowanym przez większy ładunek dodatni Q. Ze względu na elektryczne siły odpychające potrzeba przesunięcia mniejszego ładunku bliżej większego. Zgodnie z prawem Coulomba siła między ładunkami w dowolnym momencie jest kqQ/r2, gdzie r to odległość między nimi. W tym przypadku, k jest stałą Coulomba, a nie stałą sprężyny. Fizycy oznaczają ich obu przez k. Obliczasz energię potencjalną, biorąc pod uwagę pracę potrzebną do poruszenia się q z nieskończenie daleka Q na odległość r. Daje to równanie energii potencjalnej elektrycznej:
Elektryczna energia potencjalna = kqQ/r
Potencjał elektryczny jest nieco inny. Jego ilość energii zmagazynowanej na jednostkę ładunku i znana jako napięcie, mierzona jest w woltach (dżule / kulomb). Równanie potencjału elektrycznego lub napięcia generowanego przez ładunek Q z dystansu r jest:
Potencjał elektryczny = kQ/r