POTENCIÁLNA ENERGIA: VLASTNOSTI, TYPY, VÝPOČET A PRÍKLADY - FYZICKÝ - 2026

Potenciálna energia je energia, ktorá orgánmi v rámci svojej vlastnej konfiguráciu. Keď objekty interagujú, sú medzi nimi sily schopné robiť prácu a táto schopnosť robiť prácu, ktorá je uložená v ich usporiadaní, sa môže premietnuť do energie.

Napríklad ľudia od nepamäti využívajú potenciálnu energiu vodopádov, najskôr otáčaním mlynov a potom vo vodných elektrárňach.

Niagarské vodopády: obrovská nádrž gravitačného potenciálu. Zdroj: Pixabay.

Na druhej strane, mnoho materiálov má pozoruhodnú schopnosť vykonávať prácu tým, že sa zdeformuje a potom sa vracia do svojej pôvodnej veľkosti. A za iných okolností usporiadanie elektrického náboja umožňuje ukladanie elektrickej potenciálnej energie, napríklad v kondenzátore.

Potenciálna energia ponúka veľa možností na premenu na iné formy použiteľnej energie, a preto je dôležité poznať zákony, ktorými sa riadi.

Pôvod potenciálnej energie

Potenciálna energia objektu má svoj pôvod v silách, ktoré ho ovplyvňujú. Potenciálna energia je však skalárne množstvo, zatiaľ čo sily sú vektorom. Preto na určenie potenciálnej energie stačí uviesť jej číselnú hodnotu a vybrané jednotky.

Ďalšou dôležitou kvalitou je typ sily, s ktorou je možné uložiť potenciálnu energiu, pretože nie každá sila má túto cnosť. Potenciálnu energiu v systémoch, na ktoré pôsobia, ukladajú iba konzervatívne sily.

Konzervatívna sila je sila, pri ktorej práca nezávisí od cesty, po ktorej nasleduje objekt, ale iba od východiskového a cieľového bodu. Sila, ktorá poháňa padajúcu vodu, je gravitácia, ktorá je konzervatívnou silou.

Na druhej strane elastické a elektrostatické sily majú tiež túto kvalitu, preto je s nimi spojená potenciálna energia.

Sily, ktoré nespĺňajú uvedenú požiadavku, sa nazývajú nekonzervatívne; Ich príklady sú trenie a odpor vzduchu.

Druhy potenciálnej energie

Pretože potenciálna energia vždy pochádza z konzervatívnych síl, ako sú tie už uvedené, hovoríme o gravitačnej potenciálnej energii, elastickej potenciálnej energii, elektrostatickej potenciálnej energii, energii jadrového potenciálu a energii chemického potenciálu.

Gravitačný potenciál energie

Akýkoľvek objekt má potenciálnu energiu ako funkciu jeho výšky od zeme. Tento zdanlivo jednoduchý fakt ilustruje, prečo je padajúca voda schopná poháňať turbíny a nakoniec sa transformovať na elektrickú energiu. Tu uvedený príklad lyžiara tiež ukazuje vzťah hmotnosti a výšky k energii gravitačného potenciálu.

Ďalším príkladom je horská dráha, ktorá má vyššiu potenciálnu energiu, keď je v určitej výške nad zemou. Po dosiahnutí úrovne zeme sa jeho výška rovná nule a všetka jej potenciálna energia sa zmenila na kinetickú energiu (energia pohybu).

Animácia ukazuje výmenu medzi gravitačnou potenciálnou energiou a kinetickou energiou objektu pohybujúceho sa na horskej dráhe. Súčet obidvoch energií, nazývaných mechanická energia, je počas pohybu konštantný. Zdroj: Wikimedia Commons.

Elastická potenciálna energia

Predmety ako pružiny, luky, kuše a gumené pásy sú schopné ukladať elastickú potenciálnu energiu.

Nakreslením luku lukostrelec vykoná prácu, ktorá je uložená ako potenciálna energia systému luku a šípu. Po uvoľnení luku sa táto energia zmení na pohyb šípu. Zdroj: Pixabay.

Elasticita tela alebo materiálu je opísaná Hookeho zákonom (až do určitých limitov), ​​ktorý nám hovorí, že sila, ktorá môže pôsobiť, keď je stlačená alebo napnutá, je úmerná jeho deformácii.

Napríklad v prípade pružiny alebo pružiny to znamená, že čím viac sa zmršťuje alebo napína, tým väčšia sila môže pôsobiť na predmet umiestnený na jednom konci.

Elektrostatická potenciálna energia

Je to energia, ktorú majú elektrické náboje na základe svojej konfigurácie. Elektrické náboje toho istého znaku sa navzájom odpudzujú, takže ak chcete umiestniť pár kladných alebo záporných nábojov do určitej polohy, externý agent musí pracovať. Inak by mali tendenciu sa oddeľovať.

Táto práca je uložená tak, ako boli umiestnené bremená. Čím bližšie sú náboje toho istého znaku, tým väčšia potenciálna energia bude mať konfigurácia. Opak sa stáva, pokiaľ ide o množstvo rôznych znakov; Keď sa navzájom priťahujú, čím sú bližšie, tým menej energie majú.

Jadrová potenciálna energia

Približné zastúpenie atómu hélia. V jadre sú protóny znázornené červenou farbou a neutróny modrou farbou.

Atómové jadro je tvorené protónmi a neutrónmi, všeobecne nazývanými nukleónmi. Prvý z nich má kladný elektrický náboj a druhý je neutrálny.

Pretože sú aglomerované v malom priestore mimo predstavivosti a sú si vedomé, že náboje toho istého znamenia sa navzájom odpudzujú, človek sa pýta, ako atómové jadro zostáva súdržné.

Odpoveď spočíva v iných silách okrem elektrostatického odporu, charakteristických pre jadro, ako je silná jadrová interakcia a slabá jadrová interakcia. Sú to veľmi silné sily, ktoré ďaleko presahujú elektrostatickú silu.

Energia chemického potenciálu

Táto forma potenciálnej energie pochádza z usporiadania atómov a molekúl látok podľa rôznych typov chemických väzieb.

Ak dôjde k chemickej reakcii, táto energia sa môže premeniť na iné typy, napríklad pomocou článku alebo elektrickej batérie.

Príklady potenciálnej energie

Potenciálna energia je v každodennom živote prítomná mnohými spôsobmi. Pozorovanie jeho účinkov je rovnako ľahké ako umiestnenie akéhokoľvek objektu do určitej výšky a je isté, že sa môže kedykoľvek nakláňať alebo padať.

Tu je niekoľko prejavov vyššie opísaných typov potenciálnej energie:

-Húsenkové dráhy

- Autíčka alebo gule valiace sa z kopca

- Hľuzy a šípy

- Elektrické batérie

- Kyvadlové hodiny

Keď sa jedna z guľôčok na koncoch uvedie do pohybu, pohyb sa prenesie na ostatné. Zdroj: Pixabay.

-Vzory na hojdačke

- Skoč na trampolíne

- Použite zasunovacie pero.

Pozri: príklady potenciálnej energie.

Výpočet potenciálnej energie

Potenciálna energia závisí od práce vykonanej silou a to zase nezávisí od trajektórie, takže je možné konštatovať, že:

- Ak A a B sú dva body, práca W _AB potrebná na prechod z A do B sa rovná práci nevyhnutnej na prechod z B na A. Preto: W _AB = W _BA , takže:

- A ak sa pokúsia spojiť dve rôzne dráhy 1 a 2 s uvedenými bodmi A a B, je práca vykonaná v oboch prípadoch rovnaká:

W ₁ = W ₂ .

V oboch prípadoch dochádza k zmene potenciálnej energie:

Potenciálna energia objektu je definovaná ako negatív práce (konzervatívnej) sily:

Ale pretože práca je definovaná týmto integrálom:

:

Všimnite si, že jednotky potenciálnej energie sú rovnaké ako jednotky práce. V medzinárodnom systéme SI je jednotka joule, ktorú anglický fyzik James Joule (1818 - 1889) skrátil J a rovná sa 1 newton x meter.

Ďalšie jednotky energie zahŕňajú cgs erg, libru a silu x stopu, BTU (British Thermal Unit), kalórie a kilowatthodinu.

Pozrime sa ďalej na niektoré konkrétne prípady, ako vypočítať potenciálnu energiu.

Výpočet gravitačného potenciálu energie

V blízkosti zemského povrchu ukazuje gravitačná sila vertikálne smerom nadol a jej veľkosť je daná rovnicou Hmotnosť = hmotnosť x hmotnosť.

Označenie zvislej osi písmenom „y“ a priradenie k tomuto smeru jednotkovému vektoru j , kladné hore a záporné dolu, zmena potenciálnej energie, keď sa telo pohybuje z y = y _A na y = a _B je :

Výpočet elastickej potenciálnej energie

Hookeov zákon nám hovorí, že sila je úmerná deformácii:

Tu x je kmeň a k je vlastná konštanta pružiny, ktorá ukazuje, ako je tuhá. Týmto vyjadrením sa počíta elastická potenciálna energia, berúc do úvahy, že i je jednotkový vektor v horizontálnom smere:

Výpočet energie elektrostatického potenciálu

Ak máte bodový elektrický náboj Q, vytvára elektrické pole, ktoré vníma ďalší bodový náboj q, a ktoré na ňom pracuje, keď sa presunie z jednej polohy do druhej v strede poľa. Elektrostatická sila medzi dvoma bodovými nábojmi má radiálny smer, ktorý symbolizuje jednotkový vektor r :

Obrázok pre príklad 1. Zdroj: F. Zapata.

Riešenie

Keď je blok vo výške h _A vzhľadom na podlahu, má vďaka svojej výške gravitačnú potenciálnu energiu. Po uvoľnení sa táto potenciálna energia postupne premieňa na kinetickú energiu a keď klesá po hladkej zakrivenej rampe, jej rýchlosť sa zvyšuje.

Počas cesty z bodu A do bodu B nemožno použiť rovnice rovnomerne meneného priameho pohybu. Hoci za pohyb bloku je zodpovedná gravitácia, pohyb, ktorý prežíva, je zložitejší, pretože trajektória nie je priamočiara.

Úspora energie v ceste AB

Pretože však gravitácia je konzervatívnou silou a na rampe nie je žiadne trenie, na zistenie rýchlosti na konci rampy môžete použiť zachovanie mechanickej energie:

Výraz je zjednodušený tým, že hmotnosť sa objavuje v každom termíne. Uvoľňuje sa z pokoja v _A = 0. A h _B je na úrovni zeme, h _B = 0. S týmito zjednodušeniami sa výraz zníži na:

Práca vykonaná trením v časti BC

Teraz blok začína touto rýchlosťou v drsnom úseku a nakoniec sa zastaví v bode C. Preto v _C = 0. Mechanická energia už nie je zachovaná, pretože trenie je disipatívna sila, ktorá spôsobila práca na bloku daná:

Táto práca má negatívne znamenie, pretože kinetické trenie spomaľuje objekt, čím bráni jeho pohybu. Veľkosť kinetického trenia f _k je:

Kde N je veľkosť normálnej sily. Normálna sila je vyvíjaná povrchom na blok a keďže povrch je úplne vodorovný, vyvažuje hmotnosť P = mg, preto veľkosť normálu je:

Čo vedie k:

Práce, f _k robí na bloku je: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Výpočet zmeny mechanickej energie

Táto práca je ekvivalentná zmene mechanickej energie, vypočítanej takto:

V tejto rovnici zmiznú niektoré výrazy: K _C = 0, pretože blok sa zastaví na C a U _C = U _B tiež zmizne , pretože tieto body sú na úrovni zeme. Výsledkom zjednodušenia je:

Hmota sa opäť zruší a D sa dá získať takto:

Referencie

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pre techniku ​​a vedu. Zväzok 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Séria: Fyzika pre vedu a techniku. Zväzok 2. Dynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Princípy s aplikáciami. 6 .. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fyzika pre vedcov a techniku: strategický prístup. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitná fyzika s modernou fyzikou. 14 .. Vydanie 1-2.