POTENSIELL ENERGI: EGENSKAPER, TYPER, BEREGNING OG EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den potensielle energien er energien som legges under sin egen konfigurasjon. Når gjenstander samhandler, er det krefter mellom dem som er i stand til å utføre arbeid, og denne evnen til å utføre arbeid, som er lagret i deres arrangement, kan oversettes til energi.

For eksempel har mennesker utnyttet den potensielle energien til fossefall siden uminnelige tider, først ved å snurre møller og deretter ved vannkraftverk.

Niagara Falls: et stort reservoar av potensiell energi på tyngdekraften. Kilde: Pixabay.

På den annen side har mange materialer en bemerkelsesverdig evne til å utføre arbeid ved å deformere og deretter gå tilbake til sin opprinnelige størrelse. Og under andre omstendigheter tillater arrangementet av den elektriske ladningen lagring av elektrisk potensiell energi, som for eksempel i en kondensator.

Potensiell energi gir mange muligheter for å bli omdannet til andre former for brukbar energi, derav viktigheten av å kjenne lovene som styrer den.

Opprinnelse til potensiell energi

Den potensielle energien til et objekt har sin opprinnelse i kreftene som påvirker den. Imidlertid er potensiell energi en skalær mengde, mens kreftene er vektor. For å spesifisere den potensielle energien er det nok å indikere den numeriske verdien og de valgte enhetene.

En annen viktig kvalitet er den typen kraft som potensiell energi kan lagres med, siden ikke alle krefter har denne dyden. Bare konservative krefter lagrer potensiell energi i systemene de virker på.

En konservativ styrke er en arbeid som ikke er avhengig av banen etterfulgt av gjenstanden, men bare av utgangspunktet og ankomstpunktet. Kraften som driver det fallende vannet er tyngdekraften, som er en konservativ styrke.

På den annen side har elastiske og elektrostatiske krefter også denne kvaliteten, derfor er det potensiell energi forbundet med dem.

Krefter som ikke oppfyller nevnte krav kalles ikke-konservative; Eksempler på disse er friksjon og luftmotstand.

Typer potensiell energi

Siden potensiell energi alltid stammer fra konservative krefter som de allerede nevnte, snakker vi om gravitasjonspotensiell energi, elastisk potensiell energi, elektrostatisk potensiell energi, kjernepotensiell energi og kjemisk potensiell energi.

Gravitasjonspotensiell energi

Ethvert objekt har potensiell energi som en funksjon av høyden fra bakken. Dette tilsynelatende enkle faktum illustrerer hvorfor fallende vann er i stand til å drive turbiner og til slutt transformeres til elektrisk energi. Skiløpereksemplet som vises her viser også forholdet mellom vekt og høyde og gravitasjonspotensiell energi.

Et annet eksempel er en berg- og dalbanebil, som har høyere potensiell energi når den er i en viss høyde over bakken. Når den har nådd bakkenivå, er høyden lik null og all den potensielle energien har blitt omdannet til kinetisk energi (bevegelsesenergi).

Animasjonen viser utvekslingen mellom gravitasjonspotensiell energi og kinetisk energi, fra et objekt som beveger seg på en berg-og-dal-bane. Summen av begge energiene, kalt mekanisk energi, er konstant gjennom hele bevegelsen. Kilde: Wikimedia Commons.

Elastisk potensiell energi

Gjenstander som fjærer, buer, korsbuer og gummibånd er i stand til å lagre elastisk potensiell energi.

Ved å tegne baugen gjør bueskytteren arbeid som er lagret som potensiell energi i pil-bue-systemet. Når du slipper baugen, blir denne energien transformert til pilens bevegelse. Kilde: Pixabay.

Elastisiteten til et legeme eller et materiale er beskrevet av Hookes lov (opp til visse grenser), som forteller oss at kraften som er i stand til å utøve når den komprimeres eller strekkes, er proporsjonal med dens deformasjon.

For eksempel i tilfelle fjær eller fjær, betyr dette at jo mer den krymper eller strekker seg, jo større er kraften den kan utøve på et objekt plassert i den ene enden.

Elektrostatisk potensiell energi

Det er energien som elektriske ladninger har i kraft av sin konfigurasjon. Elektriske ladninger med samme skilt frastøter hverandre, så for å plassere et par positive eller negative ladninger i en bestemt posisjon, må en ekstern agent jobbe. Ellers har de en tendens til å skille seg.

Dette arbeidet er lagret slik belastningen var plassert. Jo nærmere ladningene det samme skiltet er, jo høyere potensiell energi vil konfigurasjonen ha. Det motsatte skjer når det gjelder masse forskjellige tegn; Når de tiltrekker hverandre, jo nærmere de er, jo mindre potensiell energi har de.

Atomenergi potensiell energi

Omtrentlig representasjon av Helium-atomet. I kjernen er protonene representert i rødt og nøytronene i blått.

Atomkjernen består av protoner og nøytroner, generelt kalt nukleoner. De førstnevnte har en positiv elektrisk ladning, og sistnevnte er nøytral.

Siden de er agglomerert i et lite rom utenfor fantasi, og når man vet at ladninger av det samme tegnet frastøter hverandre, lurer man på hvordan atomkjernen forblir sammenhengende.

Svaret ligger i andre krefter ved siden av elektrostatisk frastøtning, karakteristisk for kjernen, slik som den sterke kjernefysiske samspillet og den svake atominteraksjonen. Dette er veldig sterke krefter, langt over den elektrostatiske kraften.

Kjemisk potensiell energi

Denne formen for potensiell energi kommer fra hvordan atomer og molekyler av stoffer er ordnet, i henhold til de forskjellige typer kjemiske bindinger.

Når en kjemisk reaksjon finner sted, kan denne energien omdannes til andre typer, for eksempel ved hjelp av en celle eller et elektrisk batteri.

Eksempler på potensiell energi

Potensiell energi er til stede i dagliglivet på mange måter. Å observere virkningene av det er like enkelt som å plassere ethvert objekt i en viss høyde og være sikker på at den når som helst kan rulle eller falle.

Her er noen manifestasjoner av de typer potensiell energi som tidligere er beskrevet:

-Berg og dalbaner

-Biler eller baller som ruller nedover

-Buer og piler

-Elektriske batterier

-En pendelur

Når en av kulene i endene settes i bevegelse, overføres bevegelsen til de andre. Kilde: Pixabay.

-Sving på sving

-Hopp på en trampoline

-Bruk en uttrekkbar penn.

Se: eksempler på potensiell energi.

Beregning av potensiell energi

Den potensielle energien avhenger av arbeidet som er utført av styrken, og dette avhenger ikke av banen, så det kan sies at:

-Hvis A og B er to punkter, er arbeidet W _{AB som er} nødvendig for å gå fra A til B, lik det arbeidet som er nødvendig for å gå fra B til A. Derfor: W _AB = W _BA , så:

-Og hvis to forskjellige bane 1 og 2 blir prøvd å bli med i nevnte punkt A og B, er arbeidet som er utført i begge tilfeller også det samme:

W ₁ = W ₂ .

I begge tilfeller opplever objektet en endring i potensiell energi:

Vel, den potensielle energien til objektet er definert som den negative av arbeidet utført av den (konservative) styrken:

Men siden arbeid er definert av dette integralet:

:

Merk at enhetene med potensiell energi er de samme som på arbeid. I SI International System er enheten joule, som er forkortet J og er lik 1 newton x meter, av den engelske fysikeren James Joule (1818-1889).

Andre enheter for energi inkluderer cgs erg, pundkraften x foten, BTU (British Thermal Unit), kaloriene og kilowatt-timen.

La oss se nedenfor noen spesielle tilfeller om hvordan du beregner potensiell energi.

Beregning av gravitasjonspotensiell energi

I nærheten av jordoverflaten peker tyngdekraften loddrett nedover og dens styrke er gitt av ligningen Vekt = masse x tyngdekraft.

Betegner den vertikale aksen med bokstaven "y" og tilordner i denne retningen enhetsvektoren j , positiv opp og negativ ned, endringen i potensiell energi når et legeme beveger seg fra y = y _A til y = og _B er :

Beregning av elastisk potensiell energi

Hookes lov forteller oss at styrken er proporsjonal med deformasjonen:

Her er x belastningen og k er en egenkonstant for fjæren, som indikerer hvor stiv den er. Gjennom dette uttrykket beregnes den elastiske potensielle energien under hensyntagen til at i er enhetsvektoren i horisontal retning:

Beregning av elektrostatisk potensiell energi

Når du har en punktelektrisk ladning Q, produserer den et elektrisk felt som oppfatter en annen punktladning q, og som fungerer på den når den flyttes fra en posisjon til en annen midt i feltet. Den elektrostatiske kraften mellom to punktladninger har en radiell retning, symbolisert med enhetsvektoren r :

Figur for eksempel 1. Kilde: F. Zapata.

Løsning

Når blokken er i en høyde h _A med hensyn til gulvet, har den gravitasjonspotensiell energi på grunn av dens høyde. Når den frigjøres, konverteres denne potensielle energien gradvis til kinetisk energi, og når den glir nedover den glatte buede rampen, øker hastigheten.

Under banen fra A til B kan ikke likningene av jevn variert rettlinjet bevegelse brukes. Selv om tyngdekraften er ansvarlig for bevegelsen av blokken, er bevegelsen den opplever mer kompleks, fordi banen ikke er rettlinjet.

Energibesparing i bane AB

Men siden tyngdekraften er en konservativ kraft og det ikke er noen friksjon på rampen, kan du bruke bevaring av mekanisk energi for å finne hastigheten på slutten av rampen:

Uttrykket er forenklet ved å merke seg at massen vises i hvert begrep. Det frigjøres fra hvile v _A = 0. Og h _B er på bakkenivå, h _B = 0. Med disse forenklingene reduserer uttrykket til:

Arbeid utført ved å gni i seksjon f.Kr.

Nå starter blokken sin ferd i den grove delen med denne hastigheten og stopper til slutt ved punkt C. Derfor v _C = 0. Mekanisk energi blir ikke lenger bevart, fordi friksjon er en dissipativ kraft, som har gjort en arbeid med blokken gitt av:

Dette verket har et negativt tegn, siden den kinetiske friksjonen bremser gjenstanden og motsetter seg dens bevegelse. Størrelsen på den kinetiske friksjonen f _k er:

Hvor N er størrelsen på normalkraften. Normalkraften utøves av overflaten på blokken, og siden overflaten er helt horisontal, balanserer den vekten P = mg, derfor er størrelsen på normal:

Som leder til:

Arbeidet som f _k gjør på blokken er: W _k = - f _k .D = - μ _k. Mg.D.

Beregning av endring i mekanisk energi

Dette arbeidet tilsvarer endringen i mekanisk energi, beregnet slik:

I denne ligningen er det noen begrep som forsvinner: K _C = 0, siden blokken stopper ved C og U _C = U _B også forsvinner , siden disse punktene er på bakkenivå. Forenklingen resulterer i:

Massen kanselleres igjen og D kan oppnås som følger:

referanser

1. Bauer, W. 2011. Fysikk for ingeniørvitenskap og vitenskap. Bind 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysikk for vitenskap og ingeniørfag. Volum 2. Dynamikk. Redigert av Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. Sjette. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14.. Utgave bind 1-2.