ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДЫ, РАСЧЕТ И ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2025

Потенциальная энергия есть энергия , что тела под его собственной конфигурацией. Когда объекты взаимодействуют, между ними существуют силы, способные выполнять работу, и эта способность выполнять работу, которая хранится в их расположении, может быть преобразована в энергию.

Например, люди с незапамятных времен использовали потенциальную энергию водопадов сначала на прядильных фабриках, а затем на гидроэлектростанциях.

Ниагарский водопад: огромный резервуар гравитационной потенциальной энергии. Источник: Pixabay.

С другой стороны, многие материалы обладают замечательной способностью выполнять работу, деформируясь, а затем возвращаясь к своему первоначальному размеру. А в других случаях расположение электрического заряда позволяет хранить электрическую потенциальную энергию, например, в конденсаторе.

Потенциальная энергия предлагает множество возможностей для преобразования в другие формы полезной энергии, поэтому важно знать законы, которые управляют ею.

Происхождение потенциальной энергии

Потенциальная энергия объекта происходит из сил, которые на него воздействуют. Однако потенциальная энергия - это скалярная величина, а силы - векторные. Поэтому для указания потенциальной энергии достаточно указать ее числовое значение и выбранные единицы.

Еще одно важное качество - это тип силы, с которой может храниться потенциальная энергия, поскольку не каждая сила обладает этим достоинством. Только консервативные силы хранят потенциальную энергию в системах, на которые они действуют.

Консервативная сила - это сила, для которой работа не зависит от пути, по которому следует объект, а только от начальной точки и точки прибытия. Сила, которая движет падающей водой, - это сила тяжести, которая является консервативной.

С другой стороны, упругие и электростатические силы также обладают этим качеством, поэтому с ними связана потенциальная энергия.

Силы, не соответствующие вышеупомянутому требованию, называются неконсервативными; Примеры этого - трение и сопротивление воздуха.

Виды потенциальной энергии

Поскольку потенциальная энергия всегда происходит от консервативных сил, таких как уже упомянутые, мы говорим о потенциальной энергии гравитации, упругой потенциальной энергии, электростатической потенциальной энергии, ядерной потенциальной энергии и химической потенциальной энергии.

Гравитационно потенциальная энергия

У любого объекта есть потенциальная энергия в зависимости от его высоты от земли. Этот, казалось бы, простой факт иллюстрирует, почему падающая вода способна приводить в движение турбины и в конечном итоге преобразовываться в электрическую энергию. Пример лыжника, показанный здесь, также показывает взаимосвязь веса и роста с потенциальной гравитационной энергией.

Другой пример - автомобиль с американскими горками, у которого более высокая потенциальная энергия, когда он находится на определенной высоте над землей. Когда он достигает уровня земли, его высота становится равной нулю, и вся его потенциальная энергия преобразовывается в кинетическую энергию (энергию движения).

Анимация показывает обмен между гравитационной потенциальной и кинетической энергией объекта, движущегося на американских горках. Сумма обеих энергий, называемая механической энергией, постоянна на протяжении всего движения. Источник: Wikimedia Commons.

Упругая потенциальная энергия

Такие предметы, как пружины, луки, арбалеты и резинки, способны накапливать упругую потенциальную энергию.

Натягивая лук, лучник выполняет работу, которая сохраняется в виде потенциальной энергии системы лука. Когда вы отпускаете лук, эта энергия превращается в движение стрелы. Источник: Pixabay.

Эластичность тела или материала описывается законом Гука (до определенных пределов), который говорит нам, что сила, действующая при сжатии или растяжении, пропорциональна его деформации.

Например, в случае пружины или пружины это означает, что чем больше она сжимается или растягивается, тем большую силу она может оказывать на объект, помещенный на одном конце.

Электростатическая потенциальная энергия

Это энергия, которой обладают электрические заряды в силу их конфигурации. Электрические заряды одного знака отталкиваются друг от друга, поэтому, чтобы поместить пару положительных или отрицательных зарядов в определенное положение, внешний агент должен работать. В противном случае они бы разошлись.

Эта работа хранится в том виде, в котором располагались грузы. Чем ближе расположены заряды одного знака, тем большую потенциальную энергию будет иметь конфигурация. Обратное случается, когда речь идет о множестве разных знаков; Чем ближе они друг к другу, тем меньше у них потенциальной энергии.

Ядерная потенциальная энергия

Примерное представление об атоме гелия. В ядре протоны представлены красным цветом, а нейтроны - синим.

Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, обычно называемых нуклонами. Первые имеют положительный электрический заряд, а вторые нейтральны.

Поскольку они собраны в крошечном пространстве, недоступном воображению, и зная, что заряды одного знака отталкиваются друг от друга, возникает вопрос, как атомное ядро ​​остается связным.

Ответ кроется в других силах, помимо электростатического отталкивания, характерных для ядра, таких как сильное ядерное взаимодействие и слабое ядерное взаимодействие. Это очень сильные силы, намного превосходящие электростатическую силу.

Химическая потенциальная энергия

Эта форма потенциальной энергии возникает из-за того, как атомы и молекулы веществ расположены в соответствии с различными типами химических связей.

Когда происходит химическая реакция, эта энергия может быть преобразована в другие типы, например, с помощью элемента или электрической батареи.

Примеры потенциальной энергии

Потенциальная энергия присутствует в повседневной жизни разными способами. Наблюдать за его действием так же просто, как поставить любой объект на определенной высоте и быть уверенным, что он может катиться или упасть в любой момент.

Вот некоторые проявления ранее описанных видов потенциальной энергии:

-Роликовые подставки

-Автомобили или шары катятся под гору

-Луки и стрелы

-Электрические батареи

-Маятниковые часы

Когда одна из сфер на концах приводится в движение, движение передается другим. Источник: Pixabay.

-Качание на качелях

-Прыгать на батуте

-Используйте выдвижную ручку.

См .: примеры потенциальной энергии.

Расчет потенциальной энергии

Потенциальная энергия зависит от работы, совершаемой силой, а это, в свою очередь, не зависит от траектории, поэтому можно сказать, что:

-Если A и B - две точки, работа W _AB, необходимая для перехода от A к B, равна работе, необходимой для перехода от B к A. Следовательно: W _AB = W _BA , поэтому:

-И если две разные траектории 1 и 2 попытаются соединить указанные точки A и B, работа, проделанная в обоих случаях, также будет одинаковой:

W ₁ = W ₂ .

В любом случае объект испытывает изменение потенциальной энергии:

Итак, потенциальная энергия объекта определяется как отрицательная величина работы, совершаемой (консервативной) силой:

Но так как работа определяется этим интегралом:

:

Обратите внимание, что единицы потенциальной энергии такие же, как и у работы. В Международной системе СИ единицей измерения является джоуль, который обозначается сокращением Дж и равен 1 ньютону на метр, согласно английскому физику Джеймсу Джоулю (1818–1889).

Другие единицы измерения энергии включают cgs erg, фунт-сила x фут, BTU (британская тепловая единица), калории и киловатт-час.

Давайте рассмотрим ниже некоторые частные случаи, как вычислить потенциальную энергию.

Расчет гравитационной потенциальной энергии

Вблизи поверхности земли сила тяжести направлена ​​вертикально вниз, а ее величина определяется уравнением Вес = масса x сила тяжести.

Обозначив вертикальную ось буквой «y» и назначив этому направлению единичный вектор j , положительный вверх и отрицательный вниз, изменение потенциальной энергии при движении тела из y = y _A в y = и _B равно :

Расчет упругой потенциальной энергии

Закон Гука говорит нам, что сила пропорциональна деформации:

Здесь x - деформация, а k - собственная постоянная пружины, показывающая, насколько она жесткая. Посредством этого выражения вычисляется упругая потенциальная энергия с учетом того, что i - единичный вектор в горизонтальном направлении:

Расчет электростатической потенциальной энергии

Когда у вас есть точечный электрический заряд Q, он создает электрическое поле, которое воспринимает другой точечный заряд q и действует на него, когда он перемещается из одного положения в другое в середине поля. Электростатическая сила между двумя точечными зарядами имеет радиальное направление, обозначенное единичным вектором r :

Рисунок для примера 1. Источник: Ф. Сапата.

Решение

Когда блок находится на высоте h _A относительно пола, он имеет гравитационную потенциальную энергию из-за своей высоты. При высвобождении эта потенциальная энергия постепенно преобразуется в кинетическую энергию, и по мере того, как она скользит по плавно изогнутой рампе, ее скорость увеличивается.

На пути от A до B нельзя применять уравнения равномерно изменяемого прямолинейного движения. Хотя гравитация отвечает за движение блока, движение, которое он испытывает, более сложное, поскольку траектория не прямолинейна.

Сохранение энергии на пути AB

Однако, поскольку сила тяжести является консервативной силой и на рампе нет трения, вы можете использовать закон сохранения механической энергии, чтобы найти скорость в конце рампы:

Выражение упрощается за счет того, что масса появляется в каждом члене. Он высвобождается из состояния покоя v _A = 0. И h _B находится на уровне земли, h _B = 0. С этими упрощениями выражение сводится к:

Работа проведена натиранием в секции BC.

Теперь блок с этой скоростью начинает свой путь по грубому участку и, наконец, останавливается в точке C. Следовательно, v _C = 0. Механическая энергия больше не сохраняется, потому что трение - это диссипативная сила, которая создала работать над блоком, предоставленным:

Эта работа имеет отрицательный знак, поскольку кинетическое трение замедляет объект, препятствуя его движению. Величина кинетического трения f _k составляет:

Где N - величина нормальной силы. Нормальная сила прилагается поверхностью к блоку, и поскольку поверхность полностью горизонтальна, она уравновешивает вес P = mg, поэтому величина нормали равна:

Что приводит к:

Работа, которую f _k выполняет с блоком, следующая : W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Расчет изменения механической энергии

Эта работа эквивалентна изменению механической энергии, рассчитываемому следующим образом:

В этом уравнении есть некоторые члены, которые обращаются в нуль: K _C = 0, поскольку блок останавливается в C, и U _C = U _B также исчезают , так как эти точки находятся на уровне земли. В результате упрощения:

Масса снова сокращается, и D можно получить следующим образом:

Ссылки

1. Бауэр, В. 2011. Физика для инженерии и науки. Том 1. Мак Гроу Хилл.
2. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 2. Динамика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
3. Джанколи, Д. 2006. Физика: принципы с приложениями. Шестой. Эд Прентис Холл.
4. Найт, р. 2017. Физика для ученых и инженерии: стратегический подход. Пирсон.
5. Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. Четырнадцатое. Издание Том 1-2.