POTENTIAALIENERGIA: OMINAISUUDET, TYYPIT, LASKELMAT JA ESIMERKIT - FYYSINEN - 2026

Potentiaalienergia on energiaa, laitosten omalla kokoonpano. Kun esineet ovat vuorovaikutuksessa, niiden välillä on voimia, jotka kykenevät suorittamaan työtä, ja tämä kyky tehdä työtä, joka on tallennettu niiden järjestelyyn, voidaan muuntaa energiaksi.

Esimerkiksi ihmiset ovat hyödyntäneet vesiputouksien potentiaalisen energian muinaisista ajoista lähtien ensin kehrämällä tehtaita ja sitten vesivoimalaitoksissa.

Niagaran putoukset: valtava säiliö potentiaalisesta potentiaalienergiasta. Lähde: Pixabay.

Toisaalta monilla materiaaleilla on huomattava kyky tehdä työtä muuttamalla muotoaan ja palauttamalla sitten alkuperäiseen kokoonsa. Ja muissa olosuhteissa sähkövarauksen järjestely mahdollistaa sähköisen potentiaalienergian varastoinnin, kuten esimerkiksi kondensaattorissa.

Potentiaalinen energia tarjoaa monia mahdollisuuksia muuntua muiksi käyttökelpoisiksi energioiksi, joten on tärkeää tuntea sitä hallitsevat lait.

Potentiaalisen energian alkuperä

Kohteen potentiaalinen energia on peräisin siihen vaikuttavista voimista. Potentiaalienergia on kuitenkin skalaarimäärä, kun taas voimat ovat vektoria. Siksi potentiaalienergian määrittelemiseksi riittää, että ilmoitetaan sen numeerinen arvo ja valitut yksiköt.

Toinen tärkeä laatu on voimatyyppi, jolla potentiaalinen energia voidaan varastoida, koska kaikilla voimilla ei ole tätä hyvettä. Vain konservatiiviset voimat varastoivat potentiaalista energiaa järjestelmissä, joissa ne toimivat.

Konservatiivinen voima on sellainen, jolle työ ei riipu kohteen seuraavasta polusta, vaan vain lähtö- ja saapumispisteestä. Laskua vettä ohjaava voima on painovoima, joka on konservatiivinen voima.

Toisaalta joustavilla ja sähköstaattisilla voimilla on myös tämä laatu, joten niihin liittyy potentiaalienergiaa.

Joukkoja, jotka eivät täytä edellä mainittua vaatimusta, kutsutaan ei-konservatiivisiksi; esimerkkejä niistä ovat kitka ja ilmanvastus.

Potentiaalienergian tyypit

Koska potentiaalienergia tulee aina konservatiivisista voimista, kuten jo mainitut, puhumme gravitaatiopotentiaalienergiasta, elastisesta potentiaalienergiasta, sähköstaattisesta potentiaalienergiasta, ydinpotentiaalienergiasta ja kemiallisesta potentiaalienergiasta.

Gravitaatiopotentiaalienergia

Millä tahansa esineellä on potentiaalienergiaa sen korkeuden perusteella maasta. Tämä näennäisesti yksinkertainen tosiseikka kuvaa sitä, miksi putoava vesi pystyy ajamaan turbiineja ja lopulta muuttumaan sähköenergiaksi. Tässä esitetty hiihtäjäesimerkki osoittaa myös painon ja korkeuden suhteen potentiaaliseen energiaan.

Toinen esimerkki on vuoristorata-auto, jolla on korkeampi potentiaalienergia, kun se on tietyllä korkeudella maanpinnan yläpuolella. Kun se on saavuttanut maanpinnan, sen korkeus on nolla ja kaikki potentiaalienergiansa on muuttunut kineettiseksi energiaksi (liikeenergiaksi).

Animaatio näyttää vuoristoradalla liikkuvan esineen gravitaatiopotentiaalienergian ja kineettisen energian välillä. Molempien energioiden summa, jota kutsutaan mekaaniseksi energiaksi, on vakio koko liikkeen ajan. Lähde: Wikimedia Commons.

Elastinen potentiaalienergia

Esineet, kuten jouset, jouset, kaulanauhat ja kuminauhat pystyvät varastoimaan kimmoisen potentiaalienergian.

Vedämällä keulaa, jousimies tekee työtä, joka varastoituu keula-nuolijärjestelmän potentiaalienergiana. Kun vapautat keulan, tämä energia muuttuu nuolen liikkeeksi. Lähde: Pixabay.

Kehon tai materiaalin kimmoisuutta kuvaa Hooken laki (tiettyihin rajoihin saakka), joka kertoo meille, että voima, joka pystyy käyttämään sitä puristettaessa tai venyttämällä, on verrannollinen sen muodonmuutokseen.

Esimerkiksi jousen tai jousen tapauksessa tämä tarkoittaa, että mitä enemmän se kutistuu tai venyy, sitä suuremman voiman se voi kohdistaa toiseen päähän sijoitettuun esineeseen.

Sähköstaattinen potentiaalienergia

Se on energia, joka sähkövarauksilla on konfiguraationsa vuoksi. Saman merkin sähkövaraukset hylkivät toisiaan, joten ulkoisen edustajan on tehtävä työtä asettaaksesi parin positiivisia tai negatiivisia varauksia tiettyyn asemaan. Muuten heillä on taipumus erota.

Tämä työ varastoidaan kuorman sijaintipaikkaan. Mitä lähempänä saman merkin varaukset ovat, sitä suurempi potentiaalienergia konfiguraatiolla on. Päinvastoin tapahtuu, kun kyseessä on kuorma erilaisia ​​merkkejä; Kun he houkuttelevat toisiaan, sitä lähempänä he ovat, sitä vähemmän potentiaalista energiaa heillä on.

Ydinpotentiaalienergia

Arvioitu esitys heliumiatomista. Ytimessä protonit esitetään punaisella ja neutronit sinisellä.

Atomiydin koostuu protoneista ja neutroneista, joita yleisesti kutsutaan nukleoneiksi. Ensimmäisillä on positiivinen sähkövaraus ja jälkimmäisillä on neutraali.

Koska ne agglomeroituvat pieneen avaruuteen, joka on mielikuvituksen ulkopuolella, ja tietäen, että saman merkin varaukset hylkivät toisiaan, ihmettelee, kuinka atominen ydin pysyy koheesiona.

Vastaus on ytimelle ominaisissa sähköstaattisen heikentymisen lisäksi muissakin voimissa, kuten vahva ydinvuorovaikutus ja heikko ydinvuorovaikutus. Nämä ovat erittäin voimakkaita voimia, ylittäen huomattavasti sähköstaattisen voiman.

Kemiallinen potentiaalienergia

Tämä potentiaalienergian muoto tulee siitä, kuinka aineiden atomit ja molekyylit on järjestetty erityyppisten kemiallisten sidosten mukaan.

Kemiallisen reaktion tapahtuessa tämä energia voidaan muuntaa muun tyyppisiksi, esimerkiksi kennon tai sähköakun avulla.

Esimerkkejä potentiaalisesta energiasta

Potentiaalinen energia on läsnä päivittäisessä elämässä monella tavalla. Sen vaikutusten havaitseminen on yhtä helppoa kuin minkä tahansa esineen sijoittaminen tietylle korkeudelle ja varmuus siitä, että se voi rullata tai pudota milloin tahansa.

Tässä on joitain esimerkkejä aiemmin kuvatuista potentiaalienergiatyypeistä:

-Vuoristoratoja

-Autot tai pallot liikkuvat alamäkeen

-Jouset ja nuolet

-Sähköparistot

- Heilurikello

Kun yksi päissä olevista palloista on liikkeessä, liike siirretään muille. Lähde: Pixabay.

- Ompelu keikalla

- Hyppää trampoliinille

-Käytä sisäänvedettävää kynää.

Katso: esimerkkejä potentiaalisesta energiasta.

Mahdollisen energian laskeminen

Potentiaalinen energia riippuu voiman tekemästä työstä, mikä puolestaan ​​ei riipu etenemissuunnasta, joten voidaan todeta seuraavaa:

-Jos A ja B ovat kaksi pistettä, työ W _{AB, joka on} tarpeen siirtyäkseen pisteestä A pisteeseen B, on yhtä suuri kuin työ, joka tarvitaan siirtymiseen pisteestä A pisteeseen A. Siksi: W _AB = W _BA, joten:

-Ja jos kahta erilaista kulkureittiä 1 ja 2 yritetään yhdistää mainittuihin pisteisiin A ja B, on molemmissa tapauksissa tehty myös sama työ:

W ₁ = W ₂.

Kummassakin tapauksessa esine kokee potentiaalienergian muutoksen:

No, esineen potentiaalinen energia määritellään (konservatiivisen) voiman tekemän työn negatiiviseksi:

Mutta koska työn määrittelee tämä integraali:

:

Huomaa, että potentiaalienergian yksiköt ovat samat kuin työn yksiköt. Kansainvälisessä SI-järjestelmässä yksikkö on englantilaisen fyysikon James Joulen (1818-1889) joule, jota lyhennetään J ja joka vastaa yhtä newtonia x metriä.

Muita energiayksiköitä ovat cgs erg, puntavoima x jalka, BTU (British Thermal Unit), kalorit ja kilowattitunti.

Katsotaan alla joitain erityistapauksia kuinka laskea potentiaalinen energia.

Painovoimapotentiaalienergian laskeminen

Maapallon läheisyydessä painovoima osoittaa pystysuoraan alaspäin ja sen suuruus saadaan yhtälöstä Paino = massa x painovoima.

Merkitsemällä pystyakseli kirjaimella “y” ja osoittamalla tähän suuntaan yksikkövektori j, positiivinen ylös ja negatiivinen alaspäin, potentiaalienergian muutos, kun vartalo siirtyy y = y _A: sta y =: een ja _B on:

Elastisen potentiaalienergian laskeminen

Hooken laki kertoo meille, että voima on verrannollinen muodonmuutokseen:

Tässä x on jännitys ja k on jousen ominaisvakio, joka osoittaa kuinka jäykkä se on. Tämän lausekkeen avulla lasketaan joustava potentiaalienergia ottaen huomioon, että i on yksikkövektori vaakasuunnassa:

Sähköstaattisen potentiaalienergian laskeminen

Kun sinulla on piste-sähkövaraus Q, se tuottaa sähkökentän, joka havaitsee toisen pistevarauksen q ja joka toimii siinä, kun se siirretään paikasta toiseen kentän keskellä. Kahden pistevarauksen välisellä sähköstaattisella voimalla on säteittäinen suunta, jota symboloi yksikkövektori r:

Esimerkki kuvasta 1. Lähde: F. Zapata.

Ratkaisu

Kun lohko on korkeudella h _A lattiaan nähden, sillä on korkeudeltaan painovoimapotentiaalienergia. Vapautuessaan tämä potentiaalienergia muuttuu vähitellen kineettiseksi energiaksi, ja kun se liukuu alas sileästä kaarevasta rampista, sen nopeus kasvaa.

Polulla A: sta B: ään tasaisesti vaihtelevan suoraviivaisen liikkeen yhtälöitä ei voida soveltaa. Vaikka lohkon liikkeestä vastaa painovoima, sen kokema liike on monimutkaisempi, koska etenemissuunta ei ole suoraviivainen.

Energian säästö polulla AB

Koska painovoima on kuitenkin konservatiivinen voima eikä rampilla ole kitkaa, voit käyttää mekaanisen energian säästöä löytääksesi nopeuden rampin lopusta:

Lauseketta yksinkertaistetaan huomaamalla, että massa esiintyy kussakin nimessä. Se vapautetaan levosta v _A = 0. Ja h _B on maanpinnan tasolla, h _B = 0. Näillä yksinkertaistuksilla lauseke pienenee:

Työt tehdään hankaamalla osiossa BC

Nyt lohko aloittaa matkansa karkealla osuudella tällä nopeudella ja pysähtyy lopulta pisteeseen C. Siksi v _C = 0. Mekaanista energiaa ei enää säästää, koska kitka on hajoava voima, joka on aiheuttanut työskentele lohkossa, jonka on antanut:

Tällä teoksella on negatiivinen merkki, koska kineettinen kitka hidastaa esinettä vastapäätä sen liikettä. Suuruus liikekitkakerroin f _k on:

Missä N on normaalin voiman suuruus. Normaali voima kohdistuu pintaan lohkoon, ja koska pinta on täysin vaakasuora, se tasapainottaa painon P = mg, joten normaalin suuruus on:

Joka johtaa:

Työ, jonka f _k tekee lohkossa, on: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

Mekaanisen energian muutoksen laskeminen

Tämä työ vastaa mekaanisen energian muutosta, laskettuna seuraavasti:

Tässä yhtälössä on joitain termejä, jotka katoavat: K _C = 0, koska lohko pysähtyy pisteeseen C ja myös U _C = U _B katoavat, koska nämä kohdat ovat maanpinnan tasolla. Yksinkertaistaminen johtaa:

Massa jälleen poistuu ja D voidaan saada seuraavasti:

Viitteet

1. Bauer, W. 2011. Fysiikka tekniikan ja tieteiden aloille. Nide 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Sarja: Fysiikka tiedelle ja tekniikalle. Osa 2: Dynamiikka. Toimittanut Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fysiikka: Periaatteet ja sovellukset. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fysiikka tutkijoille ja tekniikoille: strateginen lähestymistapa. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14th. Toim. Volyymi 1-2.