ПОТЕНЦИАЛНА ЕНЕРГИЯ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВИДОВЕ, ИЗЧИСЛЕНИЕ И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В потенциалната енергия е енергията, която органите по своя собствена конфигурация. Когато обектите си взаимодействат, между тях има сили, способни да вършат работа, и тази способност за вършене на работа, която се съхранява в тяхното подреждане, може да бъде преведена в енергия.

Например хората са използвали потенциалната енергия на водопадите от незапомнени времена, първо чрез въртящи се мелници и след това в водноелектрически централи.

Ниагарски водопад: огромен резервоар с гравитационна потенциална енергия. Източник: Pixabay

От друга страна, много материали имат забележителна способност да вършат работа, като се деформират и след това се връщат в първоначалния си размер. И при други обстоятелства подреждането на електрическия заряд позволява съхраняване на електрическа потенциална енергия, например в кондензатор.

Потенциалната енергия предлага много възможности да се трансформира в други форми на използваема енергия, оттук и важността на познаването на законите, които я управляват.

Произход на потенциалната енергия

Потенциалната енергия на даден обект има своето начало в силите, които го влияят. Потенциалната енергия обаче е скаларно количество, докато силите са векторни. Следователно, за да посочите потенциалната енергия, достатъчно е да посочите нейната цифрова стойност и избраните единици.

Друго важно качество е видът на силата, с който потенциалната енергия може да се съхранява, тъй като не всяка сила има тази добродетел. Само консервативните сили съхраняват потенциална енергия в системите, върху които действат.

Консервативната сила е тази, за която работата не зависи от пътя, последван от обекта, а само от началната точка и точката на пристигане. Силата, която задвижва падащата вода, е гравитацията, която е консервативна сила.

От друга страна, еластичните и електростатичните сили също имат това качество, поради което има потенциална енергия, свързана с тях.

Силите, които не отговарят на гореспоменатото изискване, се наричат ​​неконсервативни; Примери за това са в триенето и въздушното съпротивление.

Видове потенциална енергия

Тъй като потенциалната енергия винаги произлиза от консервативни сили като тези, които вече са споменати, ние говорим за гравитационна потенциална енергия, еластична потенциална енергия, електростатична потенциална енергия, ядрена потенциална енергия и химическа потенциална енергия.

Гравитационна потенциална енергия

Всеки обект има потенциална енергия като функция от височината му от земята. Този на пръв поглед прост факт илюстрира защо падащата вода е способна да задвижва турбини и в крайна сметка да се трансформира в електрическа енергия. Показаният тук пример за скиор също показва връзката на теглото и височината с гравитационната потенциална енергия.

Друг пример е кола с влакче, което има по-голяма потенциална енергия, когато е на определена височина над земята. След като достигне нивото на земята, височината му е равна на нула и цялата му потенциална енергия се трансформира в кинетична енергия (енергия на движение).

Анимацията показва обмена между гравитационната потенциална енергия и кинетичната енергия на предмет, движещ се по влакче. Сумата от двете енергии, наречена механична енергия, е постоянна през цялото движение. Източник: Wikimedia Commons.

Еластична потенциална енергия

Предмети като пружини, лъкове, арбалети и гумени ленти са способни да съхраняват еластична потенциална енергия.

Чрез рисуване на лъка стрелецът върши работа, която се съхранява като потенциална енергия на системата с лъкове-стрели. Когато освободите лъка, тази енергия се трансформира в движението на стрелката. Източник: Pixabay

Еластичността на тяло или материал е описана от закона на Хук (до определени граници), който ни казва, че силата, която може да упражнява при сгъстяване или разтягане, е пропорционална на деформацията му.

Например в случай на пружина или пружина, това означава, че колкото повече се свива или разтяга, толкова по-голяма сила може да упражнява върху предмет, поставен в единия край.

Електростатична потенциална енергия

Това е енергията, която електрическите заряди имат по своята конфигурация. Електрическите заряди от един и същ знак се отблъскват взаимно, така че за да поставите чифт положителни или отрицателни заряди в определена позиция, външен агент трябва да свърши работа. В противен случай те са склонни да се разделят.

Тази работа се съхранява по начина, по който са били разположени натоварванията. Колкото по-близо са зарядите на един и същ знак, толкова по-голяма потенциална енергия ще има конфигурацията. Обратното се случва, когато става дума за товари с различни знаци; Колкото те се привличат един друг, колкото по-близо са, толкова по-малко потенциална енергия имат.

Ядрена потенциална енергия

Приблизително представяне на атома на Хелий. В ядрото протоните са представени в червено, а неутроните в синьо.

Атомното ядро ​​е изградено от протони и неутрони, общо казано наречени нуклони. Първите имат положителен електрически заряд, а вторите са неутрални.

Тъй като те са агломерирани в малко пространство отвъд въображението и знаейки, че зарядите от един и същ знак се отблъскват взаимно, човек се чуди как атомното ядро ​​остава сплотено.

Отговорът се крие в други сили, освен електростатичното отблъскване, характерно за ядрото, като силното ядрено взаимодействие и слабото ядрено взаимодействие. Това са много силни сили, много надвишаващи електростатичната сила.

Химическа потенциална енергия

Тази форма на потенциална енергия идва от начина на подреждане на атомите и молекулите на веществата според различните видове химически връзки.

Когато се проведе химическа реакция, тази енергия може да се трансформира в други видове, например с помощта на клетка или електрическа батерия.

Примери за потенциална енергия

Потенциалната енергия присъства в ежедневието по много начини. Наблюдаването на неговите ефекти е толкова лесно, колкото поставянето на всеки обект на определена височина и да сте сигурни, че той може да се търкаля или пада по всяко време.

Ето някои проявления на описаните по-рано типове потенциална енергия:

-Влакчета

-Картове или топки, търкалящи се надолу

-Лъкове и стрели

-Електрически батерии

-Чудел с махало

Когато една от сферите в краищата е пусната в движение, движението се предава на останалите. Източник: Pixabay

-Шипване на люлка

-Скачайте на батут

-Използвайте писалка.

Вижте: примери за потенциална енергия.

Изчисляване на потенциална енергия

Потенциалната енергия зависи от работата, извършена от силата, а това от своя страна не зависи от траекторията, така че може да се заяви, че:

-Ако A и B са две точки, работата W _AB, необходима за преминаване от A до B, е равна на работата, необходима за преминаване от B до A. Следователно: W _AB = W _BA, така че:

-И ако две различни траектории 1 и 2 се опитат да се присъединят към споменатите точки А и Б, работата, извършена и в двата случая, също е една и съща:

W ₁ = W ₂.

И в двата случая обектът изпитва промяна в потенциалната енергия:

Е, потенциалната енергия на обекта се определя като отрицателна от работата, извършена от (консервативната) сила:

Но тъй като работата е дефинирана от този интеграл:

:

Обърнете внимание, че единиците на потенциалната енергия са същите като тези на работа. В международната система SI единицата е джаулът, което е съкратено J и е равно на 1 нютон х метър, от английския физик Джеймс Джоул (1818-1889).

Други енергийни единици включват cgs erg, фунта-сила x крак, BTU (Британска термична единица), калории и киловатчас.

Нека да видим по-долу някои конкретни случаи как да се изчисли потенциалната енергия.

Изчисляване на гравитационната потенциална енергия

В близост до земната повърхност силата на гравитацията е насочена вертикално надолу и нейната величина се дава от уравнението Тегло = маса х гравитация.

Означавайки вертикалната ос с буквата "y" и присвоявайки в тази посока единичния вектор j, положително нагоре и отрицателно надолу, промяната на потенциалната енергия, когато едно тяло се движи от y = y _A към y = и _B е:

Изчисляване на еластичната потенциална енергия

Законът на Хук ни казва, че силата е пропорционална на деформацията:

Тук х е щамът, а k е собствена константа на пружината, показваща колко е твърда. Чрез този израз се изчислява еластичната потенциална енергия, като се отчита, че i е единичният вектор в хоризонтална посока:

Изчисляване на електростатичната потенциална енергия

Когато имате точков електрически заряд Q, той произвежда електрическо поле, което възприема друг точков заряд q и което работи върху него, когато е преместено от една позиция в друга в средата на полето. Електростатичната сила между два точкови заряда има радиална посока, символизирана от единичния вектор r:

Фигура например 1. Източник: Ф. Сапата.

Решение

Когато блокът е на височина h _A по отношение на пода, той има гравитационна потенциална енергия поради височината си. Когато се освободи, тази потенциална енергия постепенно се преобразува в кинетична енергия и докато се плъзга надолу по гладката извита рампа, скоростта й се увеличава.

По време на пътя от А до В не може да се прилагат уравненията на равномерно праволинейното движение. Въпреки че гравитацията е отговорна за движението на блока, движението, което изпитва, е по-сложно, тъй като траекторията не е праволинейна.

Запазване на енергията в път AB

Тъй като гравитацията е консервативна сила и няма триене върху рампата, можете да използвате запазването на механичната енергия, за да намерите скоростта в края на рампата:

Изразът се опростява, като се отбележи, че масата се появява във всеки термин. Той се освобождава от почивка v _A = 0. И h _B е на нивото на земята, h _B = 0. С тези опростявания изразът се свежда до:

Работа, извършена чрез триене в секция пр.н.е.

Сега блокът започва своето пътуване в грубия участък с тази скорост и накрая спира в точка С. Следователно v _C = 0. Механичната енергия вече не се запазва, защото триенето е дисипативна сила, което е направило работа по блока, даден от:

Тази работа има отрицателен знак, тъй като кинетичното триене забавя обекта, противопоставяйки се на неговото движение. Величината на кинетичното триене f _k е:

Където N е величината на нормалната сила. Нормалната сила се упражнява от повърхността върху блока и тъй като повърхността е напълно хоризонтална, тя балансира теглото P = mg, следователно величината на нормалната е:

Което води до:

Работата, която f _k върши върху блока, е: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

Изчисляване на промяна в механичната енергия

Тази работа е еквивалентна на промяната в механичната енергия, изчислена така:

В това уравнение има някои термини, които изчезват: K _C = 0, тъй като блокът спира при C и U _C = U _B също изчезват, тъй като тези точки са на нивото на земята. Опростяването води до:

Масата отново отменя и D може да се получи, както следва:

Препратки

1. Bauer, W. 2011. Физика за инженерство и науки. Том 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Серия: Физика за наука и инженерство. Том 2. Динамика. Редактиран от Дъглас Фигероа (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Физика: Принципи на приложение. 6-ти. Ед Прентис Хол.
4. Найт, Р. 2017. Физиката за учените и инженерството: стратегически подход. Пиърсън.
5. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14-ти. Изд. Том 1-2.