POTENCIJALNA ENERGIJA: KARAKTERISTIKE, VRSTE, PRORAČUN I PRIMJERI - FIZIČKA - 2024

Potencijalna energija je energija koja tijela u okviru vlastite konfiguracije. Kada objekti međusobno djeluju, između njih postoje snage koje su sposobne za obavljanje posla, a ta sposobnost obavljanja posla, koja je spremljena u njihovom rasporedu, može se prevesti u energiju.

Na primjer, ljudi su iskoristili potencijalnu energiju slapova od davnina, najprije predenjem mlinova, a zatim na hidroelektranama.

Niagarski slapovi: ogroman rezervoar gravitacijske potencijalne energije. Izvor: Pixabay.

S druge strane, mnogi materijali imaju izvanrednu sposobnost izvođenja radova deformiranjem i povratkom u prvobitnu veličinu. I u drugim okolnostima, raspored električnog naboja omogućava skladištenje električne potencijalne energije, kao na primjer u kondenzatoru.

Potencijalna energija nudi mnogo mogućnosti da se transformira u druge oblike upotrebljive energije, otuda je važno poznavanje zakona koji upravljaju njom.

Podrijetlo potencijalne energije

Potencijalna energija objekta ima svoje podrijetlo u silama koje na njega utječu. Međutim, potencijalna energija je skalarna količina, dok su sile vektorske. Stoga je za određivanje potencijalne energije dovoljno navesti njezinu brojčanu vrijednost i odabrane jedinice.

Druga važna kvaliteta je vrsta sile s kojom se može pohraniti potencijalna energija, jer ne svaka sila ima tu vrlinu. Samo konzervativne sile pohranjuju potencijalnu energiju u sustavima na koje djeluju.

Konzervativna sila je ona za koju rad ne ovisi o putu kojim slijedi objekt, već samo o početnoj i točki dolaska. Sila koja pokreće padajuću vodu je gravitacija, koja je konzervativna sila.

S druge strane, elastične i elektrostatičke sile također imaju tu kvalitetu, pa s njima postoji potencijalna energija.

Sile koje ne udovoljavaju gore navedenom zahtjevu nazivaju se nekonzervativnim; Primjeri za njih su trenje i otpor zraka.

Vrste potencijalne energije

Budući da potencijalna energija uvijek proizlazi iz konzervativnih sila poput onih koje smo već spomenuli, govorimo o gravitacijskoj potencijalnoj energiji, elastičnoj potencijalnoj energiji, potencijalnoj elektrostatičkoj energiji, nuklearnoj potencijalnoj energiji i kemijskoj potencijalnoj energiji.

Gravitaciona potencijalna energija

Bilo koji objekt ima potencijalnu energiju u zavisnosti od njegove visine od tla. Ova naizgled jednostavna činjenica ilustrira zašto pad vode može pokretati turbine i na kraju se transformirati u električnu energiju. Ovdje prikazani primjer skijaša također pokazuje odnos težine i visine prema gravitacijskoj potencijalnoj energiji.

Drugi primjer je automobil s podvozjem, koji ima veću potencijalnu energiju kada se nalazi na određenoj visini iznad zemlje. Jednom kada dosegne razinu tla, njegova visina jednaka je nuli i sva njegova potencijalna energija transformirana je u kinetičku energiju (energiju pokreta).

Animacija prikazuje razmjenu između gravitacijske potencijalne energije i kinetičke energije objekta koji se kreće na američkim rolerama. Zbir obje energije, zvane mehanička energija, konstantan je tijekom pokreta. Izvor: Wikimedia Commons.

Elastična potencijalna energija

Predmeti poput opruga, lukova, samostrela i gumenih traka mogu pohraniti elastičnu potencijalnu energiju.

Crtajući luk, strijelac obavlja posao koji je pohranjen kao potencijalna energija sustava luka-strela. Kada otpustite luk, ta se energija pretvara u kretanje strelice. Izvor: Pixabay.

Elastičnost tijela ili materijala opisana je Hookeovim zakonom (do određenih granica), koji nam govori da je sila koja može djelovati kada se komprimira ili rasteže proporcionalna njegovoj deformaciji.

Na primjer, u slučaju opruge ili opruge, to znači da što se više smanjuje ili proteže, veća je sila koju može pokazati na jedan predmet smješten na jednom kraju.

Elektrostatička potencijalna energija

To je energija koju električni naboji imaju zahvaljujući svojoj konfiguraciji. Električni naboji istog znaka odbijaju jedan drugoga, tako da za postavljanje para pozitivnih ili negativnih naboja u određeni položaj, vanjski agent mora raditi. U protivnom bi se sklonili odvajati.

Taj se rad pohranjuje na način na koji su bila postavljena opterećenja. Što su bliže naboji istog znaka, to će veća potencijalna energija imati konfiguracija. Suprotno se događa kada je u pitanju opterećenje različitih znakova; Što se više privlače, što su bliže, to manje potencijalne energije imaju.

Nuklearna potencijalna energija

Približan prikaz Helijevog atoma. U jezgri su protoni predstavljeni crvenom bojom, a neutroni plavom bojom.

Atomsko jezgro se sastoji od protona i neutrona, generički nazvanih nukleonima. Prvi imaju pozitivan električni naboj, a drugi su neutralni.

Budući da su aglomerirani u malom prostoru izvan mašte i znajući da se naboji istog znaka odbijaju, postavlja se pitanje kako atomska jezgra ostaje kohezivna.

Odgovor leži u drugim silama osim elektrostatičkog odbijanja, karakterističnih za jezgro, kao što su jaka nuklearna interakcija i slaba nuklearna interakcija. To su vrlo jake sile, daleko više od elektrostatičke sile.

Kemijska potencijalna energija

Ovaj oblik potencijalne energije dolazi iz rasporeda atoma i molekula tvari u skladu s različitim vrstama kemijskih veza.

Kad se dogodi kemijska reakcija, ta se energija može transformirati u druge vrste, na primjer pomoću ćelije ili električne baterije.

Primjeri potencijalne energije

Potencijalna energija prisutna je u svakodnevnom životu na više načina. Promatranje njegovih efekata je jednostavno kao postavljanje bilo kojeg predmeta na određenu visinu i sigurnost da se on može u bilo kojem trenutku kotrljati ili pasti.

Evo nekoliko manifestacija prethodno opisanih vrsta potencijalne energije:

-Koridžari

Kola ili lopte koje se kotrljaju nizbrdo

-Lukovi i strijele

-Električne baterije

-Klatno klatno

Kad se jedna od sfera na krajevima stavi u pokret, pokret se prenosi na ostale. Izvor: Pixabay.

-Sivanje na ljuljački

- Skoči na trampolinu

-Koristite olovku za uvlačenje.

Vidi: primjeri potencijalne energije.

Proračun potencijalne energije

Potencijalna energija ovisi o radu koji obavlja sila, a to zauzvrat ne ovisi o putanji, pa se može reći da:

-Ako su A i B dvije točke, rad W _AB potreban za prelazak iz točke A u B jednak je radu potrebnom za prelazak iz točke B u A. Stoga: W _AB = W _BA, dakle:

-I ako se pokušaju spojiti dvije različite putanje 1 i 2, spomenutih točaka A i B, posao obavljen u oba slučaja je isto:

W ₁ = W ₂.

U oba slučaja objekt doživljava promjenu potencijalne energije:

Pa, potencijalna energija objekta je definirana kao negativna na rad koji radi (konzervativna) sila:

Ali kako je rad definiran ovim integralom:

:

Imajte na umu da su jedinice potencijalne energije iste kao i radne jedinice. U međunarodnom sustavu SI jedinica je joule, što je u skraćenici J, a jednak je 1 newton x meter, engleski fizičar James Joule (1818-1889).

Ostale jedinice za energiju uključuju cgs erg, stopa funte x, stopa BTU (British Thermal Unit), kalorije i kilovat-sat.

Pogledajmo u nastavku nekoliko određenih slučajeva kako izračunati potencijalnu energiju.

Proračun gravitacijske potencijalne energije

U blizini zemljine površine sila gravitacije usmjerena je okomito prema dolje, a njena veličina je dana jednadžbom Težina = masa x gravitacija.

Označavajući vertikalnu os sa slovom „y“ i dodijelivši ovom smjeru jedinični vektor j, pozitivno prema gore i negativno prema dolje, promjena potencijalne energije kada se tijelo kreće od y = y _A do y = i _B je:

Proračun potencijalne elastične energije

Hookeov zakon govori nam da je sila proporcionalna deformaciji:

Ovdje je x naprezanje i k je svojstvena konstanta opruge, što ukazuje na to koliko je tvrda. Kroz ovaj izraz se izračunava elastična potencijalna energija, uzimajući u obzir da sam je jedinični vektor u horizontalnom smjeru:

Proračun potencijalne elektrostatičke energije

Kad imate točkasti električni naboj Q, on proizvodi električno polje koje opaža drugo nabojno točko q, a koje djeluje na njega kad se premješta s jedne pozicije na drugu u sredini polja. Elektrostatička sila između dva točkasta naboja ima radijalni smjer, simboliziran jediničnim vektorom r:

Slika za primjer 1. Izvor: F. Zapata.

Riješenje

Kad je blok na visini h _A u odnosu na pod, on ima gravitacijsku potencijalnu energiju zbog svoje visine. Kad se oslobodi, ta se potencijalna energija postupno pretvara u kinetičku energiju, a kako se kreće niz glatku zakrivljenu rampu, povećava se njena brzina.

Za vrijeme putanje od A do B, jednadžbe jednoliko različitog pravokutnog gibanja ne mogu se primijeniti. Iako je gravitacija odgovorna za kretanje bloka, pokret koji doživljava je složeniji, jer putanja nije ispravna.

Očuvanje energije u putu AB

No, s obzirom da je gravitacija konzervativna sila i nema trenja na rampi, možete koristiti očuvanje mehaničke energije da biste pronašli brzinu na kraju rampe:

Izraz se pojednostavljuje uz napomenu da se masa pojavljuje u svakom izrazu. Oslobađa se od mirovanja v _A = 0. I h _B je na razini tla, h _B = 0. S ovim pojednostavljenjima izraz se svodi na:

Posao obavljen trljanjem u dijelu BC

Sada blok počinje ovom brzinom u grubom dijelu i konačno se zaustavlja u točki C. Stoga v _C = 0. Mehanička energija se više ne čuva, jer je trenje disipativna sila, koja je stvorila rad na bloku koji je dao:

Ovaj rad ima negativan predznak, jer kinetičko trenje usporava objekt, suprotstavljajući se njegovom kretanju. Jačina kinetičkog trenja f _k je:

Gdje je N veličina normalne sile. Normalna sila djeluje na površinu bloka, a budući da je površina potpuno vodoravna, ona uravnotežuje težinu P = mg, stoga je veličina normalne:

Što dovodi do:

Rad koji f _k obavlja na bloku je: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

Proračun promjene mehaničke energije

Ovaj rad je ekvivalentan promjeni mehaničke energije, izračunato ovako:

U ovoj jednadžbi postoje neki pojmovi koji nestaju: K _C = 0, budući da se blok zaustavlja na C i U _C = U _B također nestaju, budući da su ove točke u razini tla. Rezultat pojednostavljenja je:

Masa se opet poništava i D je moguće dobiti na sljedeći način:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fizika za inženjerstvo i znanosti. Svezak 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serija: Fizika za znanost i inženjerstvo. Svezak 2. Dinamika. Uredio Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: Načela s primjenama. 6.. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fizika za znanstvenike i inženjerstvo: strateški pristup. Pearson.
5. Sears, Zemanski. 2016. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14.. Ed. Svezak 1-2.