POTENCIĀLĀ ENERĢIJA: RAKSTURLIELUMI, VEIDI, APRĒĶINS UN PIEMĒRI - FIZISKĀ - 2025

Potenciālā enerģija ir enerģija, ka struktūras, kas savā konfigurācijā. Kad objekti mijiedarbojas, starp tiem ir spēki, kas spēj veikt darbu, un šo spēju veikt darbu, kas glabājas to izvietojumā, var pārvērst enerģijā.

Piemēram, cilvēki kopš neatminamiem laikiem ir izmantojuši ūdenskritumu potenciālo enerģiju, vispirms vērpjot dzirnavas un pēc tam hidroelektrostacijās.

Niagāras ūdenskritums: milzīgs gravitācijas potenciālās enerģijas rezervuārs. Avots: Pixabay.

No otras puses, daudziem materiāliem ir ievērojama spēja veikt darbu, deformējot un pēc tam atgriežoties sākotnējā izmērā. Un citos gadījumos elektriskā lādiņa izvietojums ļauj uzglabāt elektrisko potenciālo enerģiju, piemēram, kondensatorā.

Potenciālā enerģija piedāvā daudzas iespējas pārveidot par citiem izmantojamās enerģijas veidiem, tāpēc ir svarīgi zināt likumus, kas to regulē.

Potenciālās enerģijas izcelsme

Objekta potenciālās enerģijas izcelsme ir spēkos, kas to ietekmē. Tomēr potenciālā enerģija ir skalārs lielums, kamēr spēki ir vektors. Tāpēc, lai norādītu potenciālo enerģiju, pietiek norādīt tās skaitlisko vērtību un izvēlētās vienības.

Vēl viena svarīga kvalitāte ir spēka veids, ar kuru var uzglabāt potenciālo enerģiju, jo ne katram spēkam ir šāds spēks. Tikai konservatīvie spēki uzkrāj potenciālo enerģiju sistēmās, uz kurām tie darbojas.

Konservatīvs spēks ir tāds, kura darbs nav atkarīgs no ceļa, pa kuru iet objekts, bet tikai no sākuma un ierašanās vietas. Spēks, kas virza krītošo ūdeni, ir gravitācija, kas ir konservatīvs spēks.

No otras puses, elastīgajiem un elektrostatiskajiem spēkiem ir arī šī kvalitāte, tāpēc ar tiem ir saistīta potenciālā enerģija.

Spēkus, kas neatbilst iepriekšminētajai prasībai, sauc par nekonservatīviem; To piemēri ir berze un gaisa pretestība.

Potenciālās enerģijas veidi

Tā kā potenciālā enerģija vienmēr rodas no konservatīviem spēkiem, piemēram, jau pieminētajiem, mēs runājam par gravitācijas potenciālo enerģiju, elastīgo potenciālo enerģiju, elektrostatisko potenciālu enerģiju, kodolenerģijas potenciālu un ķīmisko potenciālu enerģiju.

Gravitācijas potenciālā enerģija

Jebkuram objektam ir potenciālā enerģija atkarībā no tā augstuma no zemes. Šis šķietami vienkāršais fakts parāda, kāpēc krītošs ūdens spēj vadīt turbīnas un galu galā tiek pārveidots par elektrisko enerģiju. Šeit parādītais slēpotāja piemērs parāda arī svara un augstuma saistību ar potenciālo gravitācijas enerģiju.

Vēl viens piemērs ir amerikāņu kalniņu automašīna, kurai ir augstāka potenciālā enerģija, ja tā atrodas noteiktā augstumā virs zemes. Kad tas ir sasniedzis zemes līmeni, tā augstums ir vienāds ar nulli, un visa iespējamā enerģija ir pārveidota par kinētisko enerģiju (kustības enerģiju).

Animācija parāda apmaiņu starp gravitācijas potenciālo enerģiju un kinētisko enerģiju objektam, kas pārvietojas pa amerikāņu kalniņiem. Abu enerģiju summa, ko sauc par mehānisko enerģiju, ir nemainīga visā kustībā. Avots: Wikimedia Commons.

Elastīgā potenciālā enerģija

Tādi priekšmeti kā atsperes, loki, arkli un gumijas lentes spēj uzglabāt elastīgo potenciālo enerģiju.

Zīmējot loku, strēlnieks veic darbu, kas tiek glabāts kā priekšgala un bultas sistēmas potenciālā enerģija. Atlaižot loku, šī enerģija tiek pārveidota par bultas kustību. Avots: Pixabay.

Ķermeņa vai materiāla elastība ir aprakstīta Hūka likumā (līdz noteiktām robežām), kurā teikts, ka spēks, kas spēj iedarboties, kad tas tiek saspiests vai izstiepts, ir proporcionāls tā deformācijai.

Piemēram, atsperes vai atsperes gadījumā tas nozīmē, ka, jo vairāk tā saraujas vai stiepjas, jo lielāku spēku tas var iedarbināt uz priekšmetu, kas novietots vienā galā.

Elektrostatiskā potenciāla enerģija

Tā ir enerģija, kāda elektriskajiem lādiņiem ir to konfigurācijas dēļ. Tās pašas zīmes elektriskie lādiņi atgrūž viens otru, tāpēc, lai noteiktā stāvoklī novietotu pozitīvu vai negatīvu lādiņu pāri, ārējam aģentam ir jādarbojas. Citādi viņi mēdz atdalīties.

Šis darbs tiek glabāts tādā veidā, kādā tika izvietotas kravas. Jo tuvāk ir vienas un tās pašas zīmes lādiņi, jo lielāka būs konfigurācijas potenciālā enerģija. Pretēji notiek, ja runa ir par dažādu zīmju kravām; Jo viņi viens otru piesaista, jo tuvāk viņi ir, jo mazāk potenciālās enerģijas viņiem ir.

Kodolpotenciāla enerģija

Hēlija atoma aptuvenais attēlojums. Kodolā protoni tiek attēloti sarkanā krāsā, bet neitroni - zilā krāsā.

Atomu kodolu veido protoni un neitroni, kurus vispārīgi sauc par nukleoniem. Pirmajiem ir pozitīvs elektriskais lādiņš, bet pēdējiem - neitrāls.

Tā kā tie ir aglomerēti nelielā telpā, kas pārsniedz iztēli, un zinot, ka vienas un tās pašas zīmes lādiņi atgrūž viens otru, rodas jautājums, kā atomu kodols paliek saliedēts.

Atbilde meklējama arī kodos raksturīgajos elektrostatiskās atgrūšanās spēkos, piemēram, spēcīgā kodola un mijiedarbībā. Tie ir ļoti spēcīgi spēki, kas ievērojami pārsniedz elektrostatisko spēku.

Ķīmiskā potenciālā enerģija

Šī potenciālās enerģijas forma rodas no tā, kā vielu atomi un molekulas ir sakārtotas atbilstoši dažādajiem ķīmiskajām saitēm.

Kad notiek ķīmiska reakcija, šo enerģiju var pārveidot citos veidos, piemēram, izmantojot kameru vai elektrisko akumulatoru.

Potenciālās enerģijas piemēri

Potenciālā enerģija ir sastopama ikdienas dzīvē dažādos veidos. Novērot tā iedarbību ir tikpat viegli kā jebkura objekta novietošanu noteiktā augstumā un pārliecināšanos, ka tas jebkurā laikā var ripot vai nokrist.

Šeit aprakstītas dažas iepriekš aprakstīto potenciālās enerģijas veidu izpausmes:

-Karuseļus

- Automašīnas vai bumbiņas, kas ripo lejup

-Loki un bultiņas

-Elektriskās baterijas

-Svārsta pulkstenis

Kad viena no sfērām galos tiek nodota kustībai, kustība tiek pārnesta uz pārējām. Avots: Pixabay.

-Šūpošanās uz šūpolēm

-Lēkt uz batuta

-Izmantojiet izvelkamu pildspalvu.

Skatīt: potenciālās enerģijas piemēri.

Potenciālās enerģijas aprēķins

Potenciālā enerģija ir atkarīga no spēka paveiktā darba, un tas savukārt nav atkarīgs no trajektorijas, tāpēc var apgalvot, ka:

-Ja A un B ir divi punkti, darbs W _{AB, kas} nepieciešams, lai pārietu no A uz B, ir vienāds ar darbu, kas nepieciešams, lai pārietu no B uz A. Tāpēc: W _AB = W _BA , tātad:

-Un, ja diviem A un B punktiem mēģina savienot divas dažādas 1. un 2. trajektorijas, tad arī darbs, kas veikts abos gadījumos:

W ₁ = W ₂ .

Abos gadījumos objekts piedzīvo potenciālās enerģijas izmaiņas:

Objekta potenciālā enerģija tiek definēta kā (konservatīvā) spēka paveiktā negatīvā:

Bet tā kā darbu nosaka šis neatņemamais:

:

Ņemiet vērā, ka potenciālās enerģijas vienības ir vienādas ar darbu. Starptautiskajā SI sistēmā vienība ir džula, ko saīsina J un ir vienāda ar 1 ņūtonu x metru, izteicis angļu fiziķis Džeimss Džouls (1818-1889).

Citas enerģijas vienības ir cgs erg, mārciņas spēka x pēda, BTU (British Thermal Unit), kalorijas un kilovatstunda.

Tālāk redzēsim dažus īpašus gadījumus, kā aprēķināt potenciālo enerģiju.

Gravitācijas potenciālās enerģijas aprēķins

Zemes virsmas tuvumā gravitācijas spēks ir vērsts vertikāli uz leju, un tā lielumu izsaka vienādojums Svars = masa x smagums.

Apzīmējot vertikālo asi ar burtu “y” un šim virzienam piešķirot vienības vektoru j , pozitīvu uz augšu un negatīvu uz leju, potenciālās enerģijas izmaiņas, kad ķermenis pārvietojas no y = y _A uz y = un _B ir :

Elastīgās potenciālās enerģijas aprēķins

Hūka likums mums saka, ka spēks ir proporcionāls deformācijai:

Šeit x ir celms un k ir atsperes īpatnējā konstante, norādot, cik tā ir stīva. Izmantojot šo izteiksmi, tiek aprēķināta elastīgā potenciālā enerģija, ņemot vērā, ka i ir vienības vektors horizontālā virzienā:

Elektrostatiskās potenciālās enerģijas aprēķins

Ja jums ir punkta elektriskais lādiņš Q, tas rada elektrisko lauku, kas uztver citu punkta lādiņu q un kas tam darbojas, kad tas tiek pārvietots no vienas pozīcijas uz citu lauka vidū. Elektrostatiskajam spēkam starp diviem punktu lādiņiem ir radiālais virziens, ko simbolizē vienības vektors r :

Piemēram, 1. attēls. Avots: F. Zapata.

Risinājums

Kad bloks atrodas augstumā h _A attiecībā pret grīdu, tam ir gravitācijas potenciālā enerģija tā augstuma dēļ. Atbrīvojoties, šī potenciālā enerģija pakāpeniski tiek pārveidota par kinētisko enerģiju, un, slīdot lejup pa gludu izliektu rampu, tās ātrums palielinās.

Ceļā no A uz B nevar pielietot vienmērīgi mainīgas taisnas kustības vienādojumus. Lai arī smagums ir atbildīgs par bloka kustību, kustība, kuru tā piedzīvo, ir sarežģītāka, jo trajektorija nav taisna.

Enerģijas saglabāšana AB ceļā

Tā kā gravitācija ir konservatīvs spēks un uz rampas nav berzes, varat izmantot mehāniskās enerģijas saglabāšanu, lai atrastu ātrumu rampas galā:

Izteicienu vienkāršo, atzīmējot, ka masa parādās katrā terminā. Tas tiek atbrīvots no atpūtas v _A = 0. Un h _B atrodas zemes līmenī, h _B = 0. Ar šādiem vienkāršojumiem izteiksme tiek samazināta līdz:

Darbs veikts, berzējot BC sadaļā

Tagad bloks sāk savu braucienu nelīdzenajā posmā ar šo ātrumu un visbeidzot apstājas punktā C. Tāpēc v _C = 0. Mehāniskā enerģija vairs netiek saglabāta, jo berze ir izkliedējošs spēks, kas rada darbu pie bloka, ko sniedza:

Šim darbam ir negatīva zīme, jo kinētiskā berze palēnina objektu, iebilstot pret tā kustību. Kinētiskās berzes f _k lielums ir:

Kur N ir normāla spēka lielums. Normālo spēku pie virsmas iedarbojas bloks, un, tā kā virsma ir pilnīgi horizontāla, tā līdzsvaro svaru P = mg, tāpēc normāla lielums ir:

Kas noved pie:

Darbs, ko f _k veic blokā, ir: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Mehāniskās enerģijas izmaiņu aprēķins

Šis darbs ir līdzvērtīgs mehāniskās enerģijas izmaiņām, ko aprēķina šādi:

Šajā vienādojumā ir daži termini, kas izzūd: K _C = 0, jo bloks apstājas pie C un arī U _C = U _B izzūd , jo šie punkti atrodas zemes līmenī. Vienkāršošanas rezultātā:

Masu atkal atceļ un D var iegūt šādi:

Atsauces

1. Bauers, W. 2011. Fizika inženierzinātnēm un zinātnēm. 1. sējums. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Sērija: Fizika zinātnei un inženierijai. 2. sējums. Dinamika. Rediģēja Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: principi un pielietojumi. 6. Eds Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fizika zinātniekiem un inženierija: stratēģijas pieeja. Pīrsons.
5. Sīrs, Zemanskis. 2016. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14. Ed. 1. sējums.