Potenciālā enerģija: kas tā ir — definīcija, veidi un piemēri
Potenciālā enerģija ir objektā uzkrāta vai uzkrāta enerģija. To bieži vien pretstatā kinētiskajai enerģijai.
Fizikā potenciālā enerģija ir enerģija, kas objektam piemīt, pateicoties tā stāvoklim spēka laukā, vai kas sistēmai piemīt, pateicoties tās daļu izvietojumam. Biežāk sastopamie veidi ir objekta gravitācijas potenciālā enerģija, kas ir atkarīga no tā vertikālā stāvokļa un masas, izstieptas atsperes elastīgā potenciālā enerģija un lādiņa elektriskā potenciālā enerģija elektriskā laukā. SI enerģijas mērvienība ir džouls (simbols J).
Potenciālo enerģiju bieži vien saista ar atjaunojošiem spēkiem, piemēram, atsperi vai gravitācijas spēku. Atsperes izstiepšanas vai masas pacelšanas darbību veic ārējs spēks, kas darbojas pret potenciāla spēka lauku. Šis darbs tiek uzkrāts spēka laukā, ko sauc par potenciālo enerģiju. Ja ārējais spēks tiek noņemts, spēka lauks iedarbojas uz ķermeni, lai veiktu darbu, pārvietojot ķermeni atpakaļ sākotnējā stāvoklī, samazinot atsperes izstiepumu vai izraisot ķermeņa krišanu. Kad tas notiek, potenciālā enerģija pārvēršas kinētiskajā enerģijā. Kopējā enerģija paliek nemainīga enerģijas saglabāšanās likuma dēļ.
Fiziķi saka, ka potenciālā enerģija ir starpība starp objekta enerģiju noteiktā stāvoklī un tā enerģiju atskaites stāvoklī.
Formulas un izplatītākie veidi
Dažas biežāk sastopamās potenciālās enerģijas formulas:
- Gravitācijas potenciālā enerģija pie zemes virsmas: U = m g h, kur m ir masa, g ≈ 9.81 m/s², h — augstums. Piemēram, objektam ar masu 2 kg, paceltam 5 m, U = 2 · 9.81 · 5 ≈ 98.1 J.
- Universālā gravitācija (attiecībā uz diviem ķermeņiem): U = −G m1 m2 / r, kur G ir gravitācijas konstante un r — attālums starp masu centriem. Šī izteiksme parāda, ka potenciālā enerģija gravitācijas laukā var būt negatīva, ja kā nulles līmenis izvēlas r → ∞.
- Elastīgā (atsperes) potenciālā enerģija: U = 1/2 k x², kur k ir atsperes konstante un x — izstiepuma vai saspiešanas garums no līdzsvara stāvokļa.
- Elektriskā potenciālā enerģija punktlādiņiem: U = k_e q1 q2 / r (vai elektroenerģijas izteiksmēs U = q V), kur k_e ir Coulomba konstante, q1 un q2 — lādiņi, r — attālums.
Konservatīvie spēki un darbs
Potenciālā enerģija ir cieši saistīta ar konservatīvajiem spēkiem. Ja spēks ir konservatīvs, darbs, ko tas veic, starp diviem punktiem ir ceļā neatkarīgs un to var izteikt kā potenciālās enerģijas negatīvo izmaiņu:
W = −ΔU
Tas nozīmē, ka, ja spēks veic pozitīvu darbu uz ķermeni, potenciālā enerģija samazinās, un otrādi.
Atsauces līmenis un potenciāla definīcija
Potenciālās enerģijas vērtība ir relatīva — to definē, izvēloties atskaites punktu (nulles līmeni). Piemēram, gravitācijas potenciālā enerģija tiek bieži aprēķināta salīdzinājumā ar zemes virsmas vai ar kādu citu izvēlētu augstumu. Savukārt vispārīgākā pieeja var izmantot gravitācijas potenciālu Φ, kur U = m Φ. Elektriskajā laukā līdzīgi izmanto elektrisko potenciālu V, un lādiņam q: U = q V.
Stabila, nestabila un neitrāla līdzsvara stāvokļi
Potenciālais enerģijas profils nosaka ķermeņa līdzsvara raksturu:
- Stabila līdzsvara vieta: potenciālās enerģijas minimums — nelielas novirzes izraisa spēkus, kas atgriež ķermeni sākotnējā stāvoklī.
- Nestabila līdzsvara vieta: potenciālās enerģijas maksimums — neliela novirze novirza ķermeni tālāk no līdzsvara.
- Neitrāla līdzsvara vieta: potenciālās enerģijas līkne ir plakana — nelielas novirzes nesekmē ne atgriešanos, ne tālāku kustību.
Piemēri ikdienā un tehnoloģijās
- Aizsprostē uzkrātā ūdens potenciālā enerģija ūdenskrātuvēs un hidroelektrostacijās, kas vēlāk pārvēršas elektrībā.
- Saspiedusi atsperes enerģija spēļu automātos, pulksteņos vai amortizatoros.
- Baterijās un kondensatoros uzkrātā elektriskā potenciālā enerģija, kas tiek izmantota elektroniskajās ierīcēs.
- Izliekta stieņa vai saspringta virve, kur ķermeņu novietojums satur potenciālu, piemēram, loks un bulta.
Kopsavilkums
Potenciālā enerģija ir enerģijas forma, kas saistīta ar ķermeņa stāvokli spēka laukā vai daļu relatīvo izvietojumu sistēmā. Tā ir mērāma džoulos (J) un bieži mainās pretstatā kinētiskajai enerģijai. Izpratne par potenciālo enerģiju un tās savstarpējo apmaiņu ar kinētisko enerģiju ir pamatā daudzām fizikālām parādībām un tehniskajām lietojumprogrammām.
Vienkārši piemēri
Akmens pārvietošana kalnā palielina tā gravitācijas potenciālo enerģiju. Stiepjot gumiju, palielinās tās elastības potenciālā enerģija, kas ir elektriskās potenciālās enerģijas veids. Degvielas un oksidētāja maisījumam ir ķīmiskā potenciālā enerģija, kas ir cita elektriskās potenciālās enerģijas forma. Arī baterijām ir ķīmiskā potenciālā enerģija.
Potenciālās enerģijas veidi
Pastāv dažādi potenciālās enerģijas veidi, un katrs no tiem ir saistīts ar noteiktu spēka veidu.
Gravitācijas potenciālā enerģija
Gravitācijas potenciālo enerģiju objekts izjūt, ja sistēmā darbojas augstums un masa. Gravitācijas potenciālā enerģija liek objektiem kustēties vienam pret otru. Ja kādu objektu paceļ noteiktā attālumā no Zemes virsmas, rodas spēks, ko izraisa masa un augstums. Darbs ir definēts kā spēks noteiktā attālumā, un darbs ir cits vārds enerģijai. Pacelšanas laikā objektam pievienotā potenciālā enerģija ir:
U = F Δ h {\displaystyle U=F\Delta h} 
kur
F {\displaystyle F}
ir gravitācijas spēks
Δ h {\displaystyle \Delta h}
ir augstuma izmaiņas
vai
U = m g h {\displaystyle U=mgh} 
Šeit g = 9,81 m/s 2 {\tekstsstils g=9,81\ \mathrm {m/s}. ^{2}}
ir gravitācijas spēka radītais paātrinājums.
Kopējais darbs, ko gravitācijas potenciālā enerģija veic, objektam krītot no pozīcijas 1 uz pozīciju 2, ir:
Δ W = U 1 - U 2 {\displaystyle \Delta W=U_{1}-U_{2}}} 
vai
Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\displaystyle \Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}}} 
kur
m {\displaystyle m}
ir objekta masa
h 1 {\displaystyle h_{1}}
ir pirmā pozīcija
h 2 {\displaystyle h_{2}}
ir otrā pozīcija
Elektriskā potenciālā enerģija
Elektrisko potenciālo enerģiju izjūt gan dažādi, gan līdzīgi lādiņi, jo tie viens otru atgrūž vai piesaista. Lādiņi var būt gan pozitīvi (+), gan negatīvi (-), kad pretēji lādiņi pievelkas, bet līdzīgi - atgrūžas. Ja divi lādiņi atrodas noteiktā attālumā viens no otra, potenciālo enerģiju, kas uzkrāta starp lādiņiem, var aprēķināt šādi:
U = k Q q q r {\displaystyle U={\frac {kQq}{r}}}} 
kur
k {\displaystyle k}
ir 1/4πє (gaisam vai vakuumam tas ir 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\displaystyle 9x10^{9}Nm^{2}/C^{2}}. 
)
Q {\displaystyle Q}
ir pirmais lādiņš
q {\displaystyle q}
ir otrais lādiņš
r {\displaystyle r}
ir attālums starp abām pusēm
Elastības potenciālā enerģija
Elastīgā potenciālā enerģija rodas, kad gumijveida materiāls tiek vilkts prom vai spiests kopā. Materiāla potenciālās enerģijas daudzums ir atkarīgs no attāluma, kādā tas tiek vilkts vai stumts. Jo garāks ir attālums, kurā materiāls tiek stumts, jo lielāka elastīgā potenciālā enerģija tam ir. Ja materiālu velk vai stumj, potenciālo enerģiju var aprēķināt šādi:
U = 1 2 k x 2 {\displaystyle U={\frac {1}{2}}}kx^{2}}} 
kur
k {\displaystyle k} ir atsperes spēka konstante (cik labi materiāls stiepjas vai saspiežas).
x {\displaystyle x}
ir attālums, kādā materiāls pārvietojies no sākotnējās pozīcijas.
Saistītās lapas
- Kinētiskā enerģija
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir potenciālā enerģija?
A: Potenciālā enerģija ir objektā uzkrāta vai uzkrāta enerģija. To bieži vien pretstatā kinētiskajai enerģijai, un tā ir enerģija, kas objektam piemīt, pateicoties tā stāvoklim spēka laukā, vai kas sistēmai piemīt, pateicoties tās daļu izvietojumam.
J: Kādi ir daži izplatītākie potenciālās enerģijas veidi?
A: Pie izplatītākajiem potenciālās enerģijas veidiem pieder gravitācijas potenciālā enerģija, elastības potenciālā enerģija un elektriskā potenciālā enerģija.
J: Kāda ir SI mērvienība enerģijas mērīšanai?
A: SI mērvienība enerģijas mērīšanai ir džouls (simbols J).
J: Kā darbs tiek uzkrāts kā potenciālā enerģija?
A: Darbs tiek uzkrāts kā potenciālā enerģija, kad to veic ārējs spēks, kas darbojas pret potenciāla spēka lauku. Šis darbs tiek uzkrāts spēka laukā kā potenciālā enerģija.
J: Kā potenciāls pārvēršas kinētiskajā?
A: Kad ārējais spēks, kas darbojās pret konkrētās pozīcijas spēka lauku, tiek noņemts, tas izraisa ķermeņa kustību atpakaļ uz sākotnējo pozīciju, samazinot atsperes stiepumu vai izraisot ķermeņa krišanu. Šajā brīdī jebkurš esošais potenciāls mainās uz kinētisko, un kopējais kopējais daudzums paliek nemainīgs enerģijas saglabāšanas likuma dēļ.
J: Kā fiziķi definē potenciālo enerģiju?
A: Fiziķi saka, ka potenciālo enerģiju var definēt kā starpību starp objekta enerģiju noteiktā stāvoklī un atskaites stāvoklī.
