ПОТЕНЦИЈАЛНА ЕНЕРГИЈА: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ВРСТЕ, ПРОРАЧУН И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Потенцијална енергија је енергија која тела под сопственом конфигурацији. Када предмети узајамно делују, између њих постоје снаге које су способне за обављање посла, а та способност обављања посла, која је сачувана у њиховом распореду, може се превести у енергију.

На пример, људи су искористили потенцијалну енергију водопада од давнина, прво вртењем млинова, а затим на хидроелектранама.

Нијагарини водопади: огроман резервоар гравитационе потенцијалне енергије. Извор: Пикабаи.

С друге стране, многи материјали имају изванредну способност да се раде деформишући и затим враћајући првобитну величину. И у другим околностима, распоред електричног набоја омогућава складиштење електричне потенцијалне енергије, на пример у кондензатору.

Потенцијална енергија нуди много могућности да се трансформише у друге облике употребне енергије, отуда је важно познавање закона који управљају њом.

Поријекло потенцијалне енергије

Потенцијална енергија објекта има своје порекло у силама које утичу на њега. Међутим, потенцијална енергија је скаларна количина, док су силе векторске. Стога је за одређивање потенцијалне енергије довољно навести њену бројчану вриједност и одабране јединице.

Други важан квалитет је врста силе са којом се може складиштити потенцијална енергија, јер не свака сила има ту врлину. Само конзервативне снаге складиште потенцијалну енергију у системима на које делују.

Конзервативна сила је она за коју рад не зависи од пута којим следи објекат, већ само од почетне и тачке доласка. Сила која покреће падајућу воду је гравитација, која је конзервативна сила.

С друге стране, еластичне и електростатичке силе такође имају овај квалитет, па са њима постоји потенцијална енергија.

Силе које не испуњавају горе поменути захтев, називају се неконзервативне; Примери за то су трење и отпор ваздуха.

Врсте потенцијалне енергије

Будући да потенцијална енергија увек потиче од конзервативних сила попут оних које смо већ споменули, говоримо о гравитацијској потенцијалној енергији, еластичној потенцијалној енергији, потенцијалној електростатичкој енергији, нуклеарној потенцијалној енергији и хемијској потенцијалној енергији.

Гравитациона потенцијална енергија

Било који објект има потенцијалну енергију у зависности од његове висине од тла. Ова наизглед једноставна чињеница илуструје зашто падајућа вода може да покреће турбине и на крају се трансформише у електричну енергију. Овде је приказан пример скијаша који показује однос тежине и висине према гравитационој потенцијалној енергији.

Други пример је аутомобил с подвозјем, који има већу потенцијалну енергију када се налази на одређеној висини изнад земље. Једном када достигне ниво земље, његова висина је једнака нули и сва његова потенцијална енергија је трансформисана у кинетичку енергију (енергију покрета).

Анимација приказује размену између гравитационе потенцијалне енергије и кинетичке енергије објекта који се креће на аукцији. Збир обе енергије, зване механичка енергија, је константан током кретања. Извор: Викимедиа Цоммонс.

Еластична потенцијална енергија

Предмети попут опруга, лукова, самострела и гумених трака способни су да складиште еластичну потенцијалну енергију.

Цртањем лука стреличар ради посао који је ускладиштен као потенцијална енергија система лука-стрела. Када отпустите лук, ова енергија се трансформише у кретање стрелице. Извор: Пикабаи.

Еластичност тијела или материјала описана је Хоокеовим законом (до одређених граница), који нам говори да је сила која може дјеловати када се компримира или растеже пропорционална његовој деформацији.

На пример, у случају опруге или опруге, то значи да што се више смањује или растеже, већа је сила коју може да делује на објекат постављен на једном крају.

Електростатичка потенцијална енергија

То је енергија коју електрични набоји имају захваљујући својој конфигурацији. Електрични набоји истог знака одбијају један другог, тако да за постављање пара позитивних или негативних набоја у одређени положај, спољни агент мора да ради. У супротном би се склонили одвајању.

Овај рад се чува на начин на који су се налазила оптерећења. Што су ближе набоји истог знака, то ће већа потенцијална енергија имати конфигурација. Супротно се дешава када је у питању оптерећење различитих знакова; Што се више привлаче, што су им ближе, то мање потенцијалне енергије имају.

Нуклеарна потенцијална енергија

Приближан приказ хелијум-атома. У језгру су протони представљени црвеном бојом, а неутрони плавом бојом.

Атомско језгро се састоји од протона и неутрона, генерички названих нуклеонима. Први имају позитиван електрични набој, а други су неутралан.

Будући да су агломерирани у малом простору изван маште и знајући да се набоји истог знака одбијају, поставља се питање како атомско језгро остаје кохезивно.

Одговор се крије у силама које нису електростатичке одбојности, карактеристичне за језгро, као што су јака нуклеарна интеракција и слаба нуклеарна интеракција. То су врло јаке силе, далеко више од електростатичке силе.

Хемијска потенцијална енергија

Овај облик потенцијалне енергије потиче од распореда атома и молекула супстанци, према различитим врстама хемијских веза.

Када дође до хемијске реакције, ова енергија се може трансформисати у друге врсте, на пример помоћу ћелије или електричне батерије.

Примери потенцијалне енергије

Потенцијална енергија је присутна у свакодневном животу на више начина. Посматрање његових ефеката је једноставно као постављање било којег предмета на одређену висину и сигурно да се он може преврнути или пасти у било којем тренутку.

Ево неколико манифестација претходно описаних врста потенцијалне енергије:

-Ролер костери

Кола или лопте које се котрљају низбрдо

-Лукове и стреле

-Електричне батерије

-Клатно клатно

Када се једна од сфера на крајевима стави у покрет, покрет се преноси на остале. Извор: Пикабаи.

-Сингинг на љуљачки

- Скочи на трамполину

-Користите оловку за увлачење.

Погледајте: примери потенцијалне енергије.

Прорачун потенцијалне енергије

Потенцијална енергија зависи од рада који обавља сила, а то заузврат не зависи од путање, па се може рећи да:

-Ако су А и Б две тачке, рад В _АБ потребан за прелазак из А у Б једнак је делу потребном за прелазак из Б у А. Дакле: В _АБ = В _БА , дакле:

-И ако се покушају повезати две различите путање 1 и 2, поменуте тачке А и Б, посао обављен у оба случаја је исто:

В ₁ = В ₂ .

У оба случаја објект доживљава промену потенцијалне енергије:

Па, потенцијална енергија објекта је дефинисана као негативна на рад који ради (конзервативна) сила:

Али пошто је рад дефинисан овим интегралом:

:

Имајте на уму да су јединице потенцијалне енергије исте као и радне јединице. У међународном систему СИ јединица је јоуле, што је у скраћеници Ј и једнак је 1 невтон к метер, енглеског физичара Јамеса Јоуле-а (1818-1889).

Остале јединице за енергију укључују цгс ерг, фунту к стопало, БТУ (Бритисх Тхермал Унит), калорије и киловат-сат.

Погледајмо у наставку неколико одређених случајева како израчунати потенцијалну енергију.

Прорачун гравитационе потенцијалне енергије

У близини земљине површине сила гравитације је усмерена вертикално према доле, а њена величина је дата једначином Тежина = маса к гравитација.

Означавајући вертикалну ос са словом „и“ и додељивајући овом правцу јединични вектор ј , позитивно нагоре и негативно на доле, промена потенцијалне енергије када се тело помера из и = и _А у и = и _Б је :

Прорачун потенцијалне еластичне енергије

Хоокеов закон говори нам да је сила пропорционална деформацији:

Овде је к сој и к је сопствена константа опруге, што указује на то колико је чврст. Кроз овај израз је еластични потенцијална енергија обрачунава узимајући у обзир да сам је јединични вектор у хоризонталном правцу:

Прорачун потенцијалне електростатичке енергије

Када имате тачка електричног набоја К, она производи електрично поље које опажа друго тачкано наелектрисање к и које делује на њему када се премешта са једне позиције на другу у средини поља. Електростатичка сила између два тачка наелектрисања има радијални правац, симболизован јединице вектора р :

Слика за пример 1. Извор: Ф. Запата.

Решење

Када је блок на висини х _А у односу на под, он има гравитациону потенцијалну енергију због своје висине. Када се ослободи, та се потенцијална енергија постепено претвара у кинетичку енергију, а како се креће низ глатку закривљену рампу, брзина јој се повећава.

За време пута од А до Б, не могу се применити једнаџбе једнолико различитог правокутног кретања. Иако је гравитација одговорна за кретање блока, покрет који доживљава је сложенији, јер путања није исправна.

Чување енергије на путу АБ

Међутим, с обзиром да је гравитација конзервативна сила и нема трења на рампи, можете користити очување механичке енергије да бисте пронашли брзину на крају рампе:

Израз се поједностављује уз напомену да се маса појављује у сваком термину. Ослобађа се од мировања в _А = 0. И х _Б је на нивоу земље, х _Б = 0. Са овим поједностављењима, израз се своди на:

Посао обављен трљањем у делу БЦ

Сада блок започиње свој пут у грубом делу са овом брзином и коначно се зауставља на тачки Ц. Стога в _Ц = 0. Механичка енергија се више не чува, јер је трење дисипативна сила, која је створила рад на блоку који је дао:

Овај рад има негативан предзнак, јер кинетичко трење успорава објект, супротстављајући се његовом кретању. Јачина кинетичког трења ф _к је:

Где је Н величина нормалне силе. Нормалну силу врши површина на блоку, а пошто је површина потпуно водоравна, она балансира тежину П = мг, па је величина нормалне:

Што води до:

Рад који ф _к обавља на блоку је: В _к = - ф _к .Д = - μ _к .мг.Д.

Прорачун промене механичке енергије

Овај рад је еквивалентан промени механичке енергије, израчунато овако:

У овој једначини постоје неки појмови који нестају: К _Ц = 0, будући да се блок зауставља на Ц и У _Ц = У _Б такође нестају , јер су ове тачке у нивоу земље. Поједностављивање резултира у:

Маса се поново укида и Д се може добити на следећи начин:

Референце

1. Бауер, В. 2011. Физика за инжењерство и науке. Свезак 1. Мц Грав Хилл.
2. Фигуероа, Д. (2005). Серија: Физика за науку и инжењерство. Том 2. Динамика. Уредио Доуглас Фигуероа (УСБ).
3. Гианцоли, Д. 2006. Физика: принципи примјене. 6. Ед Прентице Халл.
4. Книгхт, Р. 2017. Физика за научнике и инжењерство: стратешки приступ. Пеарсон.
5. Сеарс, Земански. 2016. Универзитетска физика са савременом физиком. 14тх. Ед. Свезак 1-2.