Potencialinė energija — apibrėžimas ir rūšys (gravitacinė, tamprioji, elektrinė)
Potencinė energija – tai sukaupta objekto energija, kurią objektas turi dėl savo padėties arba dėl to, kaip išdėstytos sistemos dalys. Potencinė energija dažnai priešpriešinama kinetinei energijai, kuri priklauso nuo judėjimo.
Apibrėžimas ir esmė
Fizikoje potencinė energija apibūdinama kaip energija, kurią objektas turi dėl savo padėties jėgų lauke arba kurią sistema turi dėl savo komponentų tarpusavio išsidėstymo. Tipiškai potencinė energija siejama su atstatomosiomis jėgomis, pavyzdžiui, gravitacija arba spyruoklės jėga: išorinė jėga atlikdama darbą prieš atstatojąsias jėgas kaupia energiją sistemoje, o pašalinus išorinę jėgą ši energija gali virsti kinetine.
SI vienetas
Potencinės energijos SI vienetas yra džauliukas (simbolis J).
Pagrindinės formulės ir ryšiai
- Gravitacinė energija arti Žemės paviršiaus: U = m g h, kur m – masė, g – gravitacijos pagreitis (~9,81 m/s²), h – aukštis virš pasirinktos atskaitos.
- Bendroji gravitacinė energija (dviems kūnams): U(r) = −G m M / r, kur G – gravitacijos konstanta, r – atstumas tarp masių centrų; ženklas rodo, kad grav. jėga yra traukiamoji.
- Tamprioji (elastinė) energija: U = 1/2 k x², kur k – spyruoklės stipris, x – ištempimas arba suspaudimas nuo pusiausvyros.
- Elektrinė potencinė energija: dviejų taškinių krūvių atveju U = k q1 q2 / r arba potencialo atžvilgiu U = q V (q – krūvis, V – elektrinis potencialas).
- Ryšys su jėga: konservatyvioje jėgų lauke jėga gaunama iš potencinio energijos lauko derivacijos: F = −dU/dx (vienmačiame) arba \u2014 vektoriniu formatu \u2014 F = −∇U.
Potencinės energijos rūšys
- Gravitacinė potencialinė energija – priklauso nuo vertikalios padėties ir masės. Dažniausiai naudojama formulė arti Žemės paviršiaus: m g h.
- Tamprioji (elastinė) potencinė energija – kaupiama ištempus arba suspaudus spyruoklę ar kitą elastingą elementą; formulė 1/2 k x².
- Elektrinė potencialinė energija – kaupiama elektros laukuose dėl krūvių sąveikos; priklauso nuo krūvių ir jų atstumo arba nuo elektrinio potencialo.
- Kitos rūšys – magnetinė potencinė energija, cheminė potencialinė energija (pvz., susijusi su cheminėmis jungtimis), branduolinė potencinė energija ir pan.
Ataskaita ir skirtumai
Fizikai dažnai pabrėžia, kad potencinė energija yra reliatyvi: ji priklauso nuo pasirinktos atskaitos padėties. Todėl svarbu kalbėti apie energijos skirtumus tarp dviejų padėčių – tik skirtumai turi fizinę reikšmę. Tai reiškia, kad galima laisvai pasirinkti nulį (U = 0) patogioje vietoje, o rezultatai priklausys tik nuo skirtumo U2 − U1.
Energijos transformacijos ir išsaugojimas
Jei sistemoje veikia tik konservatyvios jėgos (pvz., gravitacija, elastingoji jėga), tuomet mechaninė energija (potencinė + kinetinė) išlieka pastovi: tai energijos išsaugojimo dėsnis. Tačiau jei atsiranda nedideli, negrįžtami veiksniai (pvz., trintis), dalis mechaninės energijos virsta šilumine arba kituose energijos pavidaluose ir mechaninė energija nėra išsaugoma.
Pavyzdžiai
- Sūpuoklė arba svyruoklė: viršutiniuose taškuose kinetinė energija minimali, o potencinė \u2014 maksimali; judant žemyn potencinė virsta kinetine.
- Masė ant spyruoklės: ištempus spyruoklę išorinė jėga daro darbą, kuris kaupiamas kaip tamprioji energija (1/2 k x²); paleidus, energija virsta kinetine.
- Du priešingų krūvių taškai arba kondensatorius: kraunant kondensatorių kaupiama elektrinė potencinė energija, kurią galima vėl išimti elektros grandinėje.
Apibendrinant, potencinė energija yra pagrindinė fizikos sąvoka, paaiškinanti, kaip padėtis, tarpusavio išdėstymas arba lauko būsena leidžia sistemai kaupti energiją, kuri vėliau gali būti paversta kitu energijos tipu.
Paprasti pavyzdžiai
Akmenį keliant į kalną, padidėja jo potencinė gravitacijos energija. Tempiant gumą padidėja jos tamprumo potencinė energija, kuri yra tam tikra elektrinės potencinės energijos forma. Degalų ir oksidatoriaus mišinys turi cheminę potencinę energiją, kuri yra kita elektrinės potencinės energijos forma. Baterijos taip pat turi cheminę potencinę energiją.
Potencialios energijos rūšys
Yra įvairių potencialios energijos rūšių, kurių kiekviena susijusi su tam tikros rūšies jėga.
Gravitacinė potencinė energija
Gravitacinę potencinę energiją objektas patiria, kai sistemos veiksnys yra aukštis ir masė. Gravitacinė potencinė energija verčia objektus judėti vienas kito link. Jei objektas pakeliamas tam tikru atstumu nuo Žemės paviršiaus, patiriamą jėgą sukelia svoris ir aukštis. Darbas apibrėžiamas kaip jėga, veikianti tam tikrą atstumą, o darbas yra kitas žodis energijai reikšti. Pakėlus objektą pridedama potencialioji energija:
U = F Δ h {\displaystyle U=F\Delta h} 
kur
F {\displaystyle F}
yra gravitacijos jėga
Δ h {\displaystyle \Delta h}
yra aukščio pokytis
arba
U = m g h {\displaystyle U=mgh} 
Čia g = 9,81 m/s 2 {\teksto stilius g=9,81\ \mathrm {m/s} ^{2}}
yra gravitacijos pagreitis.
Bendras darbas, kurį atlieka gravitacinė potencinė energija, kai objektas krenta iš padėties 1 į padėtį 2, yra:
Δ W = U 1 - U 2 {\displaystyle \Delta W=U_{1}-U_{2}} 
arba
Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\displaystyle \Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}} 
kur
m {\displaystyle m}
yra objekto masė
h 1 {\displaystyle h_{1}}
yra pirmoji pozicija
h 2 {\displaystyle h_{2}}
yra antroji pozicija
Elektrinė potencinė energija
Elektrinę potencinę energiją patiria tiek skirtingi, tiek panašūs krūviai, nes jie vienas kitą atstumia arba traukia. Krūviai gali būti teigiami (+) arba neigiami (-), kai priešingi krūviai traukia, o panašūs - atstumia. Jei du krūviai būtų išdėstyti tam tikru atstumu vienas nuo kito, tarp jų sukauptą potencinę energiją galima apskaičiuoti taip:
U = k Q q q r {\displaystyle U={\frac {kQq}{r}}} 
kur
k {\displaystyle k}
yra 1/4πє (orui arba vakuumui jis yra 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\displaystyle 9x10^{9}Nm^{2}/C^{2}}. 
)
Q {\displaystyle Q}
yra pirmasis krūvis
q {\displaystyle q}
yra antrasis krūvis
r {\displaystyle r}
yra atstumas tarp jų
Tamprumo potencinė energija
Tamprumo potencinė energija patiriama, kai guminė medžiaga atitraukiama arba stumiama. Medžiagos potencinės energijos kiekis priklauso nuo traukiamo ar stumiamo atstumo. Kuo ilgesnis atstumas stumiamas, tuo didesnę tampriąją potencinę energiją medžiaga turi. Jei medžiaga traukiama arba stumiama, potencinę energiją galima apskaičiuoti:
U = 1 2 k x 2 {\displaystyle U={\frac {1}{2}}kx^{2}} 
kur
k {\displaystyle k} - spyruoklės jėgos konstanta (kaip gerai medžiaga išsitempia arba susispaudžia)
x {\displaystyle x}
- atstumas, kuriuo medžiaga pasislinko nuo pradinės padėties
Susiję puslapiai
- Kinetinė energija
Klausimai ir atsakymai
Klausimas: Kas yra potencinė energija?
A: Potencinė energija - tai sukaupta arba sukaupta objekto energija. Ji dažnai priešpriešinama kinetinei energijai ir yra energija, kurią objektas turi dėl savo padėties jėgų lauke arba kurią sistema turi dėl to, kaip išdėstytos jos dalys.
K: Kokios yra kelios dažniausiai pasitaikančios potencinės energijos rūšys?
A: Dažniausiai pasitaikančios potencinės energijos rūšys yra gravitacinė potencinė energija, tamprumo potencinė energija ir elektrinė potencinė energija.
K: Koks yra SI vienetas energijai matuoti?
A.: SI energijos matavimo vienetas yra džauliukas (simbolis J).
K: Kaip darbas saugomas kaip potencinė energija?
A: Darbas saugomas kaip potencinė energija, kai jį atlieka išorinė jėga, veikianti prieš potencialo jėgos lauką. Šis darbas saugomas jėgos lauke kaip potencinė energija.
K: Kaip potencialas virsta kinetine energija?
A: Kai pašalinama išorinė jėga, veikusi prieš tam tikros padėties jėgų lauką, priverčia kūną judėti atgal į pradinę padėtį, sumažina spyruoklės tempimą arba priverčia kūną kristi. Tuo metu bet koks esamas potencialas virsta kinetiniu, o bendras energijos kiekis išlieka pastovus dėl energijos išsaugojimo dėsnio.
Klausimas: Kaip fizikai apibrėžia potencinę energiją?
A: Fizikai sako, kad potencinę energiją galima apibrėžti kaip skirtumą tarp objekto energijos tam tikroje padėtyje ir atskaitos padėtyje.
