ПОТЕНЦІЙНА ЕНЕРГІЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДИ, РОЗРАХУНОК ТА ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Потенційна енергія є енергія , що тіла під його власною конфігурацією. Коли об'єкти взаємодіють, між ними виникають сили, здатні виконувати роботу, і ця здатність до роботи, яка зберігається в їх розташуванні, може бути переведена в енергію.

Наприклад, люди використовували потенційну енергію водоспадів споконвіку, спочатку на прядильних заводах, а потім на гідроелектростанціях.

Ніагарський водоспад: величезний резервуар гравітаційної потенційної енергії. Джерело: Pixabay.

З іншого боку, багато матеріалів мають надзвичайну здатність виконувати роботу, деформуючись і потім повертаючись до початкового розміру. А в інших умовах розташування електричного заряду дозволяє зберігати електричну потенційну енергію, як, наприклад, в конденсаторі.

Потенційна енергія пропонує багато можливостей перетворитись на інші форми корисної енергії, отже, важливо знати закони, які керують нею.

Походження потенційної енергії

Потенційна енергія предмета має своє походження в силах, які впливають на нього. Однак потенційна енергія є скалярною величиною, а сили - векторними. Тому, щоб вказати потенційну енергію, досить вказати її числове значення та вибрані одиниці.

Ще одна важлива якість - тип сили, з яким можна зберігати потенційну енергію, оскільки не кожна сила має цю чесноту. Тільки консервативні сили зберігають потенційну енергію в системах, на яких вони діють.

Консервативна сила - це сила, для якої робота залежить не від шляху, яким слід об’єкт, а лише від початкової точки та точки прибуття. Сила, яка рухає падаючу воду, - сила тяжіння, яка є консервативною силою.

З іншого боку, пружні та електростатичні сили також мають цю якість, тому з ними пов'язана потенційна енергія.

Сили, які не відповідають вищезазначеній вимозі, називаються неконсервативними; Прикладами цього є тертя та опір повітря.

Види потенційної енергії

Оскільки потенційна енергія завжди походить від консервативних сил, таких як уже згадані, ми говоримо про гравітаційну потенційну енергію, еластичну потенційну енергію, електростатичну потенційну енергію, ядерну потенційну енергію та хімічну потенційну енергію.

Гравітаційний потенціал енергії

Будь-який об’єкт має потенційну енергію у залежності від його висоти від землі. Цей, здавалося б, простий факт ілюструє, чому падаюча вода здатна керувати турбінами і з часом перетворюється на електричну енергію. Наведений тут приклад лижника також показує залежність ваги та зросту до гравітаційної потенційної енергії.

Інший приклад - автомобіль з гірки, який має більшу потенційну енергію, коли знаходиться на певній висоті над землею. Після досягнення рівня землі його висота дорівнює нулю, і вся його потенційна енергія перетворюється на кінетичну енергію (енергію руху).

Анімація показує обмін між потенційною гравітаційною енергією та кінетичною енергією предмета, що рухається на американських гірках. Сума обох енергій, званих механічною енергією, є постійною протягом усього руху. Джерело: Wikimedia Commons.

Еластична потенційна енергія

Такі об'єкти, як пружини, банти, арбалети та гумки здатні зберігати пружну потенційну енергію.

Малюючи лук, лучник виконує роботу, яка зберігається як потенційна енергія системи лука-стріли. Коли ви відпустите лук, ця енергія перетворюється на рух стрілки. Джерело: Pixabay.

Еластичність тіла або матеріалу описується законом Гука (до певних меж), який говорить нам, що сила, здатна чинити дію при його стисненні або розтягуванні, пропорційна його деформації.

Наприклад, у випадку з пружиною або пружиною, це означає, що чим більше вона стискається або розтягується, тим більше сили вона може чинити на предмет, розміщений в одному кінці.

Електростатична потенціальна енергія

Це енергія, яку мають електричні заряди в силу своєї конфігурації. Електричні заряди одного знака відштовхують один одного, тому, щоб розмістити пару позитивних чи негативних зарядів у певному положенні, зовнішній агент повинен зробити роботу. Інакше вони прагнуть відокремитись.

Ця робота зберігається так, як були розміщені навантаження. Чим ближче заряди одного знака, тим вища потенційна енергія матиме конфігурація. Навпаки відбувається, коли мова йде про навантаження різних знаків; Чим вони приваблюють один одного, чим ближче вони, тим менше потенційної енергії у них є.

Ядерна потенціальна енергія

Орієнтовне представлення атома гелію. У ядрі протони представлені червоним кольором, а нейтрони - синім кольором.

Атомне ядро ​​складається з протонів і нейтронів, загально званих нуклонами. Перші мають позитивний електричний заряд, а другі - нейтральні.

Оскільки вони агломеровані в крихітному просторі поза уявою і знаючи, що заряди одного знака відштовхують один одного, виникає питання, як атомне ядро ​​залишається згуртованим.

Відповідь полягає в інших силах, крім електростатичного відштовхування, характерних для ядра, таких як сильна ядерна взаємодія та слабка ядерна взаємодія. Це дуже сильні сили, що значно перевищують електростатичну силу.

Хімічний потенціал енергії

Ця форма потенційної енергії походить від того, як розташовані атоми та молекули речовин, відповідно до різних типів хімічних зв’язків.

Коли відбувається хімічна реакція, ця енергія може трансформуватися в інші типи, наприклад, за допомогою комірки або електричного акумулятора.

Приклади потенційної енергії

Потенційна енергія багато в чому присутня в повсякденному житті. Спостерігати за його ефектами так само просто, як розмістити будь-який об’єкт на певній висоті і бути впевненим, що він може котитися або падати в будь-який час.

Ось декілька проявів раніше описаних типів потенційної енергії:

-Американські гірки

-Машини або кулі котяться вниз

-Букси та стрілки

-Електричні акумулятори

-Маятниковий годинник

Коли одна зі сфер на кінцях приведена в рух, рух передається іншим. Джерело: Pixabay.

-Світання на гойдалці

-Стрибайте на батуті

-Використовуйте висувну ручку.

Див .: приклади потенційної енергії.

Розрахунок потенційної енергії

Потенційна енергія залежить від роботи, виконаної силою, а це, в свою чергу, не залежить від траєкторії, тому можна констатувати, що:

-Якщо A і B - дві точки, робота W _AB, необхідна для переходу від A до B, дорівнює роботі, необхідній для переходу від B до A. Тому: W _AB = W _BA , значить:

-І якщо дві різні траєкторії 1 і 2 намагаються з'єднати вказані точки A і B, робота в обох випадках також однакова:

W ₁ = W ₂ .

В будь-якому випадку об'єкт відчуває зміну потенційної енергії:

Ну, потенційна енергія об'єкта визначається як негативна робота, виконана (консервативною) силою:

Але оскільки робота визначається цим інтегралом:

:

Зауважте, що одиниці потенційної енергії такі ж, як і робочі. У системі міжнародної системи SI англійський фізик Джеймс Джоул (1818-1889) одиницею є джоуль, який скорочено J і дорівнює 1 ньютон х метр.

До інших енергоблоків відносяться егг ег, фунт-сила x фут, БТУ (Британська теплова одиниця), калорійність і кіловат-години.

Давайте нижче розглянемо деякі конкретні випадки, як розрахувати потенційну енергію.

Розрахунок гравітаційної потенційної енергії

Поблизу земної поверхні сила тяжіння спрямована вертикально вниз, а її величина задається рівнянням Вага = маса х сили тяжіння.

Позначивши вертикальну вісь буквою "y" і призначивши в цьому напрямку одиничний вектор j , додатний вгору і від'ємний вниз, зміна потенційної енергії, коли тіло рухається від y = y _A до y = і _B , :

Розрахунок пружної потенційної енергії

Закон Гука говорить нам, що сила пропорційна деформації:

Тут х - деформація, а k - власна константа пружини, що вказує, наскільки вона жорстка. За допомогою цього виразу обчислюється потенціальна пружна енергія з урахуванням того, що i є одиничним вектором у горизонтальному напрямку:

Розрахунок електростатичної потенціальної енергії

Коли у вас є точковий електричний заряд Q, він виробляє електричне поле, яке сприймає інший точковий заряд q, і яке працює на ньому, коли воно переміщується з одного положення в інше посередині поля. Електростатична сила між двома точковими зарядами має радіальне напрямок, що символізується одиничним вектором r :

Малюнок для прикладу 1. Джерело: Ф. Сапата.

Рішення

Коли блок знаходиться на висоті h _A відносно підлоги, він має гравітаційну потенційну енергію завдяки своїй висоті. Коли він вивільняється, ця потенційна енергія поступово перетворюється на кінетичну енергію, і коли вона ковзає по плавному вигнутому пандусу, швидкість його збільшується.

Під час шляху від А до В рівняння рівномірного прямолінійного руху неможливо застосувати. Хоча гравітація відповідає за рух блоку, рух, який він відчуває, є складнішим, оскільки траєкторія не прямолінійна.

Збереження енергії на шляху AB

Однак, оскільки сила тяжіння є консервативною силою і не виникає тертя про пандус, ви можете використовувати збереження механічної енергії, щоб знайти швидкість в кінці пандуса:

Вираз спрощується, зазначаючи, що маса з’являється в кожному терміні. Він звільняється від спокою v _A = 0. І h _B знаходиться на рівні землі, h _B = 0. За допомогою цих спрощень вираз зменшується до:

Робота, виконана розтиранням на ділянці до н

Тепер блок починає свій рух у нерівній частині з цією швидкістю і, нарешті, зупиняється в точці С. Тому v _C = 0. Механічна енергія більше не зберігається, оскільки тертя - це дисипативна сила, яка зробила робота над блоком, задана:

Ця робота має негативний знак, оскільки кінетичне тертя сповільнює предмет, протиставляючи його рух. Величина кінетичного тертя f _k дорівнює:

Де N - величина нормальної сили. Нормальна сила чинить поверхню на блок, і оскільки поверхня повністю горизонтальна, вона врівноважує вагу P = мг, тому величина нормальної становить:

Що призводить до:

Робота, яку f _k виконує на блоці, така: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Розрахунок зміни механічної енергії

Ця робота еквівалентна зміні механічної енергії, обчисленої так:

У цьому рівнянні є деякі доданки, які зникають: K _C = 0, оскільки блок зупиняється на C, а U _C = U _B також зникає , оскільки ці точки знаходяться на рівні землі. Спрощення призводить до:

Маса знову скасовується і D можна отримати таким чином:

Список літератури

1. Bauer, W. 2011. Фізика для інженерії та наук. Том 1. Mc Graw Hill.
2. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 2. Динаміка. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
3. Джанколі, Д. 2006. Фізика: принципи застосування. 6-й. Ед Прентіс Холл.
4. Найт, Р. 2017. Фізика для вчених та інженерія: стратегічний підхід. Пірсон.
5. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14-а. Ред., Том 1-2.