POTENCIALI ENERGIJA: CHARAKTERISTIKOS, TIPAI, SKAIČIAVIMAS IR PAVYZDŽIAI - FIZINIS - 2025

Potencinė energija yra energija, įstaigos pagal savo konfigūraciją. Kai objektai sąveikauja, tarp jų yra jėgos, galinčios atlikti darbą, ir tas sugebėjimas atlikti darbą, kuris saugomas jų išdėstyme, gali būti paverčiamas energija.

Pavyzdžiui, žmonės nuo neatmenamų laikų yra panaudoję potencialią krioklių energiją, pirmiausia sukdami malūnus, o paskui prie hidroelektrinių.

Niagaros krioklys: didžiulis potencialios gravitacinės energijos rezervuaras. Šaltinis: „Pixabay“.

Kita vertus, daugelis medžiagų pasižymi nepaprastu sugebėjimu atlikti darbus deformuodamosi ir vėl grįždamos į pradinį dydį. Ir kitomis aplinkybėmis elektros krūvio išdėstymas leidžia kaupti potencialią elektrinę energiją, pavyzdžiui, kondensatoriuje.

Potenciali energija suteikia daugybę galimybių būti paverčiamai kitų formų energija, todėl svarbu žinoti įstatymus, kurie ją reglamentuoja.

Galimos energijos kilmė

Potenciali objekto energija kyla iš jėgų, kurios jį veikia. Tačiau potenciali energija yra skaliarinis dydis, o jėgos yra vektorinės. Todėl norint nurodyti galimą energiją, pakanka nurodyti jo skaitinę vertę ir pasirinktus vienetus.

Kita svarbi kokybė yra jėgos rūšis, su kuria galima kaupti potencialią energiją, nes ne kiekviena jėga turi šią dorybę. Tik konservatyvios jėgos kaupia potencialią energiją sistemose, kuriose jos veikia.

Konservatyvi jėga yra ta, kuriai darbas priklauso ne nuo kelio, kuriuo eina objektas, o tik nuo pradinio ir atvykimo taško. Jėga, kuri varo krentantį vandenį, yra gravitacija, kuri yra konservatyvi jėga.

Kita vertus, elastinės ir elektrostatinės jėgos taip pat turi šią savybę, todėl su jomis yra susijusi potenciali energija.

Jėgos, neatitinkančios minėto reikalavimo, vadinamos nekonservatyviomis; Jų pavyzdžiai yra trintis ir oro pasipriešinimas.

Potencialios energijos rūšys

Kadangi potenciali energija visada kyla iš konservatyvių jėgų, tokių, kaip jau minėta, mes kalbame apie gravitacinę potencialo energiją, elastinio potencialo energiją, elektrostatinę potencialo energiją, branduolinio potencialo energiją ir cheminio potencialo energiją.

Gravitacinė potencinė energija

Bet kuris objektas turi potencialią energiją kaip jo aukščio nuo žemės paviršiaus funkciją. Šis iš pažiūros paprastas faktas parodo, kodėl krintantis vanduo gali valdyti turbinas ir galiausiai virsta elektros energija. Čia pateiktas slidininko pavyzdys taip pat parodo svorio ir aukščio santykį su potencialia gravitacine energija.

Kitas pavyzdys yra automobilis su kalneliais, turintis didesnę potencialią energiją, kai jis yra tam tikrame aukštyje virš žemės. Kai jis pasieks žemės lygį, jo aukštis lygus nuliui, o visa jo potencinė energija buvo paversta kinetine energija (judėjimo energija).

Animacija parodo objekto, judančio kalneliais, gravitacinę potencialinę energiją ir kinetinę energiją. Abiejų energijų, vadinamų mechanine energija, suma yra pastovi viso judesio metu. Šaltinis: „Wikimedia Commons“.

Elastinė potenciali energija

Tokie daiktai kaip spyruoklės, lankai, arbaletai ir guminės juostos gali kaupti potencialią energiją.

Piešdamas lanką, lankininkas atlieka darbą, kuris kaupiamas kaip potenciali lankų ir strėlių sistemos energija. Atleidus lanką, ši energija virsta rodyklės judėjimu. Šaltinis: „Pixabay“.

Kūno ar medžiagos elastingumas yra aprašytas Hooke'io dėsnyje (iki tam tikrų ribų), kuris sako mums, kad jėga, galinti veikti, kai ji suspaudžiama ar ištempiama, yra proporcinga jo deformacijai.

Pvz., Spyruoklės ar spyruoklės atveju tai reiškia, kad kuo ji labiau susitraukia ar ištempia, tuo didesnę jėgą ji gali paveikti ant vieno galo esančiam daiktui.

Elektrostatinė potencialo energija

Tai energija, kurią elektros krūviai turi dėl savo konfigūracijos. To paties ženklo elektriniai krūviai atstumia vienas kitą, todėl norėdamas įtaisyti teigiamų ar neigiamų krūvių porą tam tikroje padėtyje, išorinis agentas turi dirbti. Priešingu atveju jie bus linkę atsiskirti.

Šis darbas saugomas taip, kaip buvo išdėstytos kroviniai. Kuo arčiau to paties ženklo krūviai, tuo didesnę potencialią energiją turės konfigūracija. Įvairių ženklų apkrova atsitinka priešingai; Kuo jie labiau traukia vienas kitą, kuo arčiau jų, tuo mažiau potencialios energijos jie turi.

Branduolinės energijos potencialas

Apytikslis helio atomo vaizdas. Branduolyje protonai pavaizduoti raudonai, o neutronai - mėlynai.

Atominį branduolį sudaro protonai ir neutronai, bendrai vadinami nukleonais. Pirmieji turi teigiamą elektros krūvį, o antrieji yra neutralūs.

Kadangi jie yra aglomeruoti mažoje erdvėje, kurioje nėra vaizduotės, ir žinant, kad to paties ženklo krūviai atstumia vienas kitą, kyla klausimas, kaip atominis branduolys išlieka darnus.

Atsakymas slypi kitose jėgose, be elektrostatinio atstūmimo, būdingų branduoliui, tokiuose kaip stipri branduolio sąveika ir silpna branduolio sąveika. Tai yra labai stiprios jėgos, žymiai viršijančios elektrostatinę jėgą.

Cheminė potenciali energija

Ši potencialios energijos forma atsiranda dėl to, kaip medžiagų atomai ir molekulės yra išdėstytos pagal skirtingus cheminių jungčių tipus.

Kai vyksta cheminė reakcija, ši energija gali būti paversta kitomis rūšimis, pavyzdžiui, naudojant elementą arba elektrinę bateriją.

Potencialios energijos pavyzdžiai

Kasdieniniame gyvenime potencialios energijos gali būti įvairiai. Stebėti jo poveikį yra taip paprasta, kaip bet kurį daiktą pastatyti tam tikrame aukštyje ir būti tikram, kad jis bet kada gali riedėti ar kristi.

Čia yra keletas anksčiau aprašytų potencialios energijos rūšių apraiškų:

-Kalneliai

-Arvos ar rutuliai, riedintys žemyn

- lankai ir strėlės

-Elektros baterijos

-Švytuoklinis laikrodis

Kai viena sfera galuose paleidžiama, judesys perduodamas kitoms. Šaltinis: „Pixabay“.

-Sukimas ant sūpynių

-Šok ant batuto

- Naudokite ištraukiamą rašiklį.

Žiūrėti: potencialios energijos pavyzdžiai.

Potencialios energijos apskaičiavimas

Potenciali energija priklauso nuo jėgos atlikto darbo, o tai savo ruožtu nepriklauso nuo trajektorijos, todėl galima teigti, kad:

-Jei A ir B yra du taškai, darbas W _AB, būtinas pereiti iš A į B, yra lygus darbui, būtinam pereiti iš B į A. Todėl: W _AB = W _BA , taigi:

- Ir jei bandoma sujungti dvi skirtingas 1 ir 2 trajektorijas, taškus A ir B, darbas abiem atvejais taip pat yra tas pats:

W ₁ = W ₂ .

Bet kuriuo atveju objektas patiria potencialios energijos pokyčius:

Na, potenciali objekto energija apibūdinama kaip neigiama (konservatyvios) jėgos atlikto darbo vertė:

Bet kadangi darbą apibrėžia šis integralas:

:

Atkreipkite dėmesį, kad potencialios energijos vienetai yra tokie patys kaip darbo. Tarptautinėje SI sistemoje vienetas yra džaulis, sutrumpintai J ir lygus 1 newtono x metrui, kurį pateikė anglų fizikas Jamesas Joule'as (1818–1889).

Kiti energijos vienetai yra cgs erg, svaro jėga x pėda, BTU (Didžiosios Britanijos šiluminis vienetas), kalorijos ir kilovatvalandės.

Žemiau pažiūrėsime keletą konkrečių atvejų, kaip apskaičiuoti potencialią energiją.

Gravitacinio potencialo energijos apskaičiavimas

Netoli žemės paviršiaus gravitacijos jėga nukreipta vertikaliai žemyn, o jos dydis pateikiamas lygtimi Svoris = masė x gravitacija.

Pažymint vertikalią ašį raide „y“ ir šiai krypčiai priskiriant vieneto vektorių j , teigiamą aukštyn ir neigiamą žemyn, potencialios energijos pokytį, kai kūnas juda iš y = y _A į y = ir _B yra :

Elastinės potencialinės energijos apskaičiavimas

Hoko įstatymas sako, kad jėga yra proporcinga deformacijai:

Čia x yra deformacija, o k yra spyruoklės savitoji konstanta, rodanti, kokia ji standi. Per šią išraišką apskaičiuojama tamprioji potencialo energija, atsižvelgiant į tai, kad i yra vieneto vektorius horizontalia kryptimi:

Elektrostatinio potencialo energijos apskaičiavimas

Kai turite taškinį elektrinį krūvį Q, jis sukuria elektrinį lauką, kuris suvokia kitą taško krūvį q ir kuris jį veikia, kai jis perkeliamas iš vienos padėties į kitą lauko viduryje. Elektrostatinė jėga tarp dviejų taškinių krūvių turi radialinę kryptį, kurią simbolizuoja vieneto vektorius r :

1 pav. Šaltinis: F. Zapata.

Sprendimas

Kai blokas yra aukštyje h _A grindų atžvilgiu, jis turi gravitacinę potencialo energiją dėl savo aukščio. Išlaisvinus šią potencialią energiją palaipsniui paverčiama kinetine energija, o slenkant žemyn sklandžiai išlenktą rampą, jos greitis didėja.

Kelyje nuo A iki B negalima pritaikyti tolygiai kintamo tiesinio judesio lygčių. Nors gravitacija yra atsakinga už bloko judėjimą, judesys, kurį jis patiria, yra sudėtingesnis, nes trajektorija nėra tiesinė.

Energijos taupymas AB kelyje

Kadangi gravitacija yra konservatyvi jėga, o rampoje nėra trinties, naudodamiesi mechaninės energijos išsaugojimu galite rasti greitį rampos gale:

Išraiška supaprastinta pažymint, kad masė atsiranda kiekviename kadencijoje. Jis atleidžiamas nuo poilsio v _A = 0. O h _B yra žemės lygyje, h _B = 0. Taikant šiuos supaprastinimus išraiška sumažėja iki:

Darbas atliekamas trinant skyriuje BC

Dabar blokas tokiu greičiu pradeda savo kelionę nelygioje atkarpoje ir galiausiai sustoja taške C. Todėl v _C = 0. Mechaninė energija nebeišsaugoma, nes trintis yra išsklaidymo jėga, kuri sukėlė darbas su bloku, kurį suteikė:

Šis darbas turi neigiamą ženklą, nes kinetinė trintis lėtina objektą, priešindama jo judėjimą. Kinetinės trinties f _{k dydis} yra:

Kur N yra normaliosios jėgos dydis. Normalią jėgą veikia paviršius ant bloko, o kadangi paviršius yra visiškai horizontalus, jis subalansuoja svorį P = mg, todėl normos dydis yra:

Kas lemia:

Darbas, kurį f _k atlieka bloke, yra: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Mechaninės energijos pokyčio apskaičiavimas

Šis darbas yra lygus mechaninės energijos pokyčiui, apskaičiuotam taip:

Šioje lygtyje yra keletas terminų, kurie išnyksta: K _C = 0, nes blokas sustoja ties C ir U _C = U _B taip pat išnyksta , nes šie taškai yra žemės lygyje. Supaprastinimas lemia:

Masė vėl atšaukiama, o D galima gauti taip:

Nuorodos

1. Bauer, W. 2011. Fizika inžinerijai ir mokslams. 1 tomas. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika mokslui ir inžinerijai. 2 tomas. Dinamika. Redagavo Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principai su taikymu. 6-asis. Edas Prentice'o salė.
4. Knight, R. 2017. Fizika mokslininkams ir inžinerijai: strategijos metodas. Pearsonas.
5. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-oji. 1–2 tomas.