POTENTIEL ENERGI: EGENSKABER, TYPER, BEREGNING OG EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den potentielle energi er den energi, der organiseres under sin egen konfiguration. Når objekter interagerer, er der kræfter mellem dem, der er i stand til at udføre arbejde, og denne evne til at udføre arbejde, der er gemt i deres arrangement, kan oversættes til energi.

For eksempel har mennesker udnyttet den potentielle energi fra vandfald siden oldtiden, først ved at dreje møller og derefter ved vandkraftværker.

Niagara Falls: et enormt reservoir med potentiel energi på tyngdekraften. Kilde: Pixabay.

På den anden side har mange materialer en bemærkelsesværdig evne til at udføre arbejde ved at deformere og derefter vende tilbage til deres originale størrelse. Og under andre omstændigheder tillader arrangementet af den elektriske ladning lagring af elektrisk potentiel energi, som for eksempel i en kondensator.

Potentiel energi giver mange muligheder for at blive omdannet til andre former for brugbar energi, og derfor vigtigheden af ​​at kende de love, der styrer den.

Oprindelse af potentiel energi

Et objekts potentielle energi har sin oprindelse i de kræfter, der påvirker det. Imidlertid er potentiel energi en skalær mængde, mens kræfter er vektor. Derfor er det nok at angive den numeriske værdi og de valgte enheder for at specificere den potentielle energi.

En anden vigtig kvalitet er den type kraft, som potentiel energi kan lagres med, da ikke alle kræfter har denne dyd. Kun konservative kræfter lagrer potentiel energi i de systemer, de virker på.

En konservativ kraft er en, for hvilken arbejdet ikke afhænger af den sti, som objektet følges, men kun af udgangspunktet og ankomstpunktet. Kraften, der driver det faldende vand, er tyngdekraften, som er en konservativ styrke.

På den anden side har elastiske og elektrostatiske kræfter også denne kvalitet, derfor er der potentiel energi forbundet med dem.

Kræfter, der ikke opfylder ovennævnte krav, kaldes ikke-konservative; Eksempler på disse er friktion og luftmodstand.

Typer af potentiel energi

Da potentiel energi altid stammer fra konservative kræfter som dem, der allerede er nævnt, taler vi om gravitationspotentialenergi, elastisk potentiel energi, elektrostatisk potentiel energi, nuklear potentiel energi og kemisk potentiel energi.

Tyngdekraft potentiel energi

Ethvert objekt har potentiel energi som en funktion af dens højde fra jorden. Denne tilsyneladende enkle kendsgerning illustrerer, hvorfor faldende vand er i stand til at drive turbiner og til sidst omdannes til elektrisk energi. Skiløbereksemplet, der er vist her, viser også forholdet mellem vægt og højde og gravitationspotentialenergi.

Et andet eksempel er en rutsjebane, der har større potentiale, når den er i en bestemt højde over jorden. Når den først har nået jordoverfladen, er dens højde lig med nul, og al dens potentielle energi er blevet omdannet til kinetisk energi (bevægelsesenergi).

Animationen viser udvekslingen mellem gravitationspotentialenergi og kinetisk energi fra et objekt, der bevæger sig på en rullebane. Summen af ​​begge energier, kaldet mekanisk energi, er konstant under hele bevægelsen. Kilde: Wikimedia Commons.

Elastisk potentiel energi

Objekter såsom fjedre, buer, tværbuer og gummibånd er i stand til at lagre elastisk potentiel energi.

Ved at tegne buen udfører bueskytteren arbejde, der gemmes som potentiel energi i bue-pil-systemet. Når du slipper bogen, omdannes denne energi til pilens bevægelse. Kilde: Pixabay.

Elasticiteten af ​​et legeme eller et materiale er beskrevet af Hookes lov (op til visse grænser), der fortæller os, at den kraft, der er i stand til at udøve, når det komprimeres eller strækkes, er proportional med dens deformation.

For eksempel i tilfælde af en fjeder eller fjeder, betyder dette, at jo mere den krymper eller strækker sig, jo større er kraften den kan udøve på et objekt placeret i den ene ende.

Elektrostatisk potentiel energi

Det er den energi, elektriske ladninger har i kraft af deres konfiguration. Elektriske ladninger af det samme skilt frastøder hinanden, så for at placere et par positive eller negative ladninger i en bestemt position, skal en ekstern agent arbejde. Ellers ville de være tilbøjelige til at adskille.

Dette arbejde gemmes på den måde, hvor belastningerne var placeret. Jo nærmere ladningerne af det samme skilt er, jo højere potentiel energi vil konfigurationen have. Det modsatte sker, når det kommer til mange forskellige tegn; Når de tiltrækker hinanden, jo tættere de er, desto mindre potentiel energi har de.

Kernepotentialenergi

Omtrentlig repræsentation af Helium-atomet. I kernen er protonerne repræsenteret i rødt og neutronerne i blåt.

Atomkernen består af protoner og neutroner, generelt kaldet nukleoner. Førstnævnte har en positiv elektrisk ladning, og sidstnævnte er neutral.

Da de agglomereres i et lille rum uden fantasi, og vel vidende at ladninger af det samme tegn frastøder hinanden, undrer man sig over, hvordan atomkernen forbliver sammenhængende.

Svaret ligger i andre kræfter udover elektrostatisk frastødning, der er karakteristisk for kernen, såsom den stærke nukleare interaktion og den svage nukleare interaktion. Dette er meget stærke kræfter, der langt overstiger den elektrostatiske kraft.

Kemisk potentiel energi

Denne form for potentiel energi kommer fra, hvordan atomerne og molekylerne af stoffer er arrangeret i henhold til de forskellige typer kemiske bindinger.

Når en kemisk reaktion finder sted, kan denne energi omdannes til andre typer, for eksempel ved hjælp af en celle eller et elektrisk batteri.

Eksempler på potentiel energi

Potentiel energi er til stede i dagligdagen på mange måder. Det er lige så let at observere dens virkning som at placere ethvert objekt i en bestemt højde og være sikker på, at det når som helst kan rulle eller falde.

Her er nogle manifestationer af de typer af potentiel energi, der tidligere er beskrevet:

-Rutsjebaner

-Biler eller bolde, der ruller ned ad bakke

-Buer og pile

-Elektriske batterier

-En pendulur

Når en af ​​kuglerne i enderne sættes i bevægelse, overføres bevægelsen til de andre. Kilde: Pixabay.

-Sving på en sving

-Jump på en trampolin

-Brug en udtrækkelig pen.

Se: eksempler på potentiel energi.

Beregning af potentiel energi

Den potentielle energi afhænger af det arbejde, der udføres af styrken, og dette afhænger igen ikke af banen, så det kan siges, at:

-Hvis A og B er to punkter, er det arbejde, W _{AB, der er} nødvendigt for at gå fra A til B, lig med det arbejde, der er nødvendigt for at gå fra B til A. Derfor: W _AB = W _BA, så:

-Og hvis to forskellige baner 1 og 2 forsøges at slutte sig til nævnte punkter A og B, er det udførte arbejde i begge tilfælde også det samme:

W ₁ = W ₂.

I begge tilfælde oplever objektet en ændring i potentiel energi:

Nå, objektets potentielle energi er defineret som det negative af det arbejde, der udføres af den (konservative) kraft:

Men da arbejde er defineret af dette integral:

:

Bemærk, at enhederne med potentiel energi er de samme som på arbejde. I SI International System er enheden joule, der er forkortet J og er lig med 1 newton x meter, af den engelske fysiker James Joule (1818-1889).

Andre enheder til energi inkluderer cgs erg, pundkraften x fod, BTU (British Thermal Unit), kalorierne og kilowatt-timen.

Lad os se nedenfor nogle særlige tilfælde af, hvordan man beregner potentiel energi.

Beregning af gravitationspotentialenergi

I nærheden af ​​jordoverfladen peger tyngdekraften lodret nedad, og dens størrelse er angivet af ligningen Vægt = masse x tyngdekraft.

Betegner den lodrette akse med bogstavet "y" og tildeler i denne retning enhedsvektoren j, positiv op og negativ ned, ændringen i potentiel energi, når et legeme bevæger sig fra y = y _A til y = og _B er:

Beregning af elastisk potentiel energi

Hookes lov fortæller os, at kraften er proportional med deformationen:

Her er x belastningen, og k er en egenkonstant for fjederen, der indikerer, hvor stiv den er. Gennem dette udtryk beregnes den elastiske potentielle energi under hensyntagen til, at i er enhedsvektoren i vandret retning:

Beregning af elektrostatisk potentiel energi

Når du har en punktelektrisk ladning Q, producerer den et elektrisk felt, der opfatter en anden punktladning q, og som fungerer på det, når det flyttes fra en position til en anden midt i feltet. Den elektrostatiske kraft mellem to punktladninger har en radial retning, symboliseret med enhedsvektoren r:

Figur for eksempel 1. Kilde: F. Zapata.

Løsning

Når blokken er i en højde h _A med hensyn til gulvet, har den tyngdepotentialenergi på grund af dens højde. Når den frigøres, omdannes denne potentielle energi gradvist til kinetisk energi, og når den glider ned ad den glatte buede rampe, øges dens hastighed.

Under stien fra A til B kan ligningerne af ensartet varieret retlinet bevægelse ikke anvendes. Selvom tyngdekraften er ansvarlig for bevægelsen af ​​blokken, er bevægelsen, den oplever, mere kompliceret, fordi banen ikke er retlinet.

Energibesparelse i sti AB

Da tyngdekraften er en konservativ kraft, og der ikke er nogen friktion på rampen, kan du bruge bevarelsen af ​​mekanisk energi til at finde hastigheden i slutningen af ​​rampen:

Udtrykket forenkles ved at bemærke, at massen vises i hvert sigt. Det frigøres fra hvile v _A = 0. Og h _B er på jordoverfladen, h _B = 0. Med disse forenklinger reduceres udtrykket til:

Arbejde udført ved at gnide i afsnit f.Kr.

Nu begynder blokken sin rejse i det grove afsnit med denne hastighed og stopper til sidst ved punkt C. Derfor v _C = 0. Mekanisk energi bevares ikke længere, fordi friktion er en dissipativ kraft, der har gjort en arbejde på blokken givet af:

Dette arbejde har et negativt tegn, da den kinetiske friktion bremser genstanden og modsætter sig dens bevægelse. Størrelsen af ​​den kinetiske friktion f _k er:

Hvor N er størrelsen på den normale kraft. Den normale kraft udøves af overfladen på blokken, og da overfladen er helt vandret, afbalancerer den vægten P = mg, derfor er størrelsen på den normale:

Hvilket fører til:

Det arbejde, som f _k udfører på blokken, er: W _k = - f _k. D = - μ _k. Mg.D.

Beregning af ændring i mekanisk energi

Dette arbejde svarer til ændringen i mekanisk energi, beregnet således:

I denne ligning er der nogle udtryk, der forsvinder: K _C = 0, da blokken stopper ved C, og U _C = U _B også forsvinder, da disse punkter er på jordoverfladen. Forenklingen resulterer i:

Massen annulleres igen, og D kan opnås som følger:

Referencer

1. Bauer, W. 2011. Fysik til ingeniørvidenskab og videnskaber. Bind 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik til videnskab og teknik. Bind 2. Dynamik. Redigeret af Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fysik: Principper med applikationer. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fysik for forskere og teknik: en strategi-tilgang. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14th. Udgave bind 1-2.