POTENCIÁLIS ENERGIA: JELLEMZŐK, TÍPUSOK, SZÁMÍTÁS ÉS PÉLDÁK - FIZIKAI - 2026

A potenciális energia az az energia, amelyet a test a saját konfigurációja alatt végez. Amikor a tárgyak kölcsönhatásba lépnek, közöttük vannak erők, amelyek képesek munkavégzésre, és ez a munkavégzési képesség, amely elrendezésében tárolódik, energiává vált.

Például az emberek a vízesések potenciális energiáját az ősidők óta hasznosították, először forgómalmokkal, majd vízerőművekkel.

Niagara-vízesés: a gravitációs potenciális energia hatalmas tározója. Forrás: Pixabay.

Másrészt sok anyagnak figyelemre méltó képessége van arra, hogy munkát végezzen, deformálva, majd visszatérve eredeti méretéhez. És egyéb körülmények között az elektromos töltés elrendezése lehetővé teszi az elektromos potenciál energia tárolását, például egy kondenzátorban.

A potenciális energia számos lehetőséget kínál arra, hogy a felhasználható energiákká más formákká alakuljanak, ezért fontos megismerni az azt szabályozó törvényeket.

A potenciális energia eredete

Egy tárgy potenciális energiája azon erőktől származik, amelyek befolyásolják. A potenciális energia azonban skaláris mennyiség, míg az erők vektorok. Ezért a potenciális energia meghatározásához elegendő annak numerikus értékét és a kiválasztott egységeket megadni.

Egy másik fontos tulajdonság az a fajta erő, amellyel a potenciális energiát tárolni lehet, mivel nem minden erő rendelkezik ezzel az erõvel. Csak a konzervatív erők tárolják a potenciális energiát azokban a rendszerekben, amelyeken működnek.

A konzervatív erő az, amelynél a munka nem az objektum által követett úttól függ, hanem csak a kiindulási és érkezési ponttól. A leeső vizet meghajtó erő a gravitáció, amely konzervatív erő.

Másrészt a rugalmas és az elektrosztatikus erőknek is van ez a minősége, ezért potenciális energia kapcsolódik hozzájuk.

Azokat a haderőket, amelyek nem felelnek meg a fent említett követelménynek, nem konzervatívnak nevezik; Ezekre példa a súrlódás és a légállóság.

A potenciális energia típusai

Mivel a potenciális energia mindig olyan konzervatív erőkből származik, mint amilyeneket már említettünk, gravitációs potenciál energiáról, elasztikus potenciál energiáról, elektrosztatikus potenciál energiáról, nukleáris potenciál energiáról és kémiai potenciál energiáról beszélünk.

Gravitációs potenciális energia

Bármely tárgynak potenciális energiája van, a magassága függvényében. Ez a látszólag egyszerű tény bemutatja, hogy a leeső víz miért képes meghajtani a turbinákat, és végül átalakul elektromos energiává. Az itt bemutatott síelő példa a súly és a magasság kapcsolatát a gravitációs potenciális energiával is mutatja.

Egy másik példa egy hullámvasút-kocsi, amelynek nagyobb potenciális energiája van, ha egy bizonyos magasságban van a talaj felett. Miután elérte a talajszintet, magassága nullával egyenlő, és az összes potenciális energiáját kinetikus energiává (mozgási energiává) alakították át.

Az animáció egy hullámvasúton mozgó tárgy gravitációs potenciális energiájának és kinetikus energiájának cseréjét mutatja. Mindkét energiának az összege, amelyet mechanikai energiának nevezünk, állandó a mozgás során. Forrás: Wikimedia Commons.

Rugalmas potenciál energia

Az olyan tárgyak, mint a rugók, íjak, íjak és gumiszalagok képesek rugalmas potenciál energiát tárolni.

Az íj húzásával az íjász olyan munkát végez, amelyet az íj-nyíl rendszer potenciális energiájaként tárol. Amikor elengedi az íjat, ez az energia a nyíl mozgásával alakul át. Forrás: Pixabay.

A test vagy az anyag rugalmasságát Hooke törvénye írja le (bizonyos határokig), amely azt mondja nekünk, hogy a sajtoláskor vagy nyújtáskor kifejteni képes erő arányos deformációjával.

Például rugó vagy rugó esetén ez azt jelenti, hogy minél jobban zsugorodik vagy nyújt, annál nagyobb erőt képes kifejteni az egyik végén elhelyezett tárgyra.

Elektrosztatikus potenciál energia

Ez az az energia, amely az elektromos töltéseknek a konfigurációjuknak köszönhetően. Ugyanazon jel elektromos töltései visszatükrözik egymást, így egy pozitív vagy negatív töltés párnak egy bizonyos helyzetbe történő elhelyezéséhez a külső ügynöknek dolgoznia kell. Ellenkező esetben hajlamosak lennének szétválni.

Ezt a munkát a rakományok elhelyezkedése szerint tárolják. Minél közelebb vannak az azonos jel töltései, annál nagyobb a potenciális energia a konfigurációban. Ellenkezőleg történik, ha különböző jelzőtáblákról van szó; Minél jobban vonzzák egymást, minél közelebb vannak egymáshoz, annál kevesebb a potenciális energia.

Nukleáris potenciál energia

A hélium hozzávetőleges ábrázolása. A magban a protonok piros, a neutronok pedig kék színűek.

Az atommag protonokból és neutronokból áll, amelyeket általában nukleonoknak neveznek. Az előbbi pozitív elektromos töltéssel rendelkezik, az utóbbi semleges.

Mivel ezek egy apró, a képzelet fölötti térben agglomerálódnak, és tudva, hogy az azonos jel töltései visszatükrözik egymást, felmerül a kérdés, hogy az atommag továbbra is kohéziós marad-e.

A válasz az elektrosztatikus taszításon kívüli erőkön nyugszik, amelyek a mag jellemzői, például az erős nukleáris kölcsönhatás és a gyenge atommag kölcsönhatás. Ezek nagyon erős erők, amelyek messze meghaladják az elektrosztatikus erőt.

Kémiai potenciális energia

A potenciális energia e formája abból származik, hogy az anyagok atomjai és molekulái hogyan vannak elrendezve a különféle kémiai kötések típusai szerint.

Amikor kémiai reakció megy végbe, ez az energia más formákká alakulhat, például cellás vagy elektromos elem segítségével.

Példák a potenciális energiára

A potenciális energia sok szempontból jelen van a mindennapi életben. A hatásainak megfigyelése ugyanolyan egyszerű, mintha bármilyen tárgyat egy bizonyos magasságba helyezne, és bizonyosodjon meg arról, hogy bármikor gördülhet vagy eshet.

Az alábbiakban bemutatjuk a potenciális energia típusainak korábbi leírásait:

-Hullámvasút

-A kocsik vagy golyók gördülnek lefelé

-Íjak és nyilak

-Elektromos akkumulátorok

-Egy ingaóra

Amikor a végén lévő egyik gömb mozgásba kerül, a mozgás továbbadódik a többiekhez. Forrás: Pixabay.

- hinta felforgatása

-Ugorj egy trambulinra

-Használjon behúzható tollat.

Lásd: a potenciális energia példáit.

A potenciális energia kiszámítása

A potenciális energia az erő által elvégzett munkától függ, és ez viszont nem függ a pályáról, tehát megállapítható, hogy:

-Ha A és B két pont, akkor az A _AB ponthoz lépéshez szükséges W _AB munka megegyezik a B pontból A pontra lépéshez szükséges munkával. Ezért: W _AB = W _BA, tehát:

- És ha két különféle 1. és 2. pályát próbálnak csatlakoztatni az A és B pontokhoz, akkor mindkét esetben ugyanaz a munka:

W ₁ = W ₂.

Mindkét esetben a tárgy megváltozik a potenciális energiában:

Nos, a tárgy potenciális energiáját a (konzervatív) erő által elvégzett munka negatív hatásaként definiáljuk:

De mivel a munkát ez az integrál határozza meg:

:

Vegye figyelembe, hogy a potenciális energia egységei megegyeznek a munka egységével. A SI Nemzetközi Rendszerben az egység a Jule rövidítésű, 1 newton x méterrel megegyező joule, James Joule (1818-1889) angol fizikus szerint.

Az energia egységei között szerepel az ergs cgs, a font-erő x láb, a BTU (British Thermal Unit), a kalóriák és a kilowattóra.

Lásd az alábbiakban néhány különös esetet, hogyan kell kiszámítani a potenciális energiát.

A gravitációs potenciális energia kiszámítása

A Föld felszínének közelében a gravitációs erő függőlegesen lefelé mutat, és nagyságát a Súly = tömeg x gravitáció egyenlet adja meg.

Jelöli a függőleges tengelyen a „y” betű és hozzárendelése ebben az irányban a készülék vektor j, pozitív felfelé és negatív le, a változás a potenciális energia, amikor egy test mozog y = y _A, hogy y = és _B jelentése:

A rugalmas potenciál energia kiszámítása

Hooke törvénye szerint az erő arányos a deformációval:

Itt x a nyúlás, és k a rugó sajátállandója, jelezve, hogy milyen merev. Ezen kifejezésen keresztül kiszámolják a rugalmas potenciál energiát, figyelembe véve, hogy i az egységvektor vízszintes irányban:

Az elektrosztatikus potenciál energia kiszámítása

Ha van Q pont elektromos töltése, akkor ez egy olyan elektromos mezőt hoz létre, amely észlel egy újabb q ponttöltést, és amely működik rajta, amikor egyik mezőből a másikba mozgatja a mező közepén. A két pont-töltés közötti elektrosztatikus erő sugárirányú, r egységvektorral jelölve:

Például 1. ábra. Forrás: F. Zapata.

Megoldás

Ha a blokk a padlóhoz képest h _A magasságban van, akkor magassága miatt gravitációs potenciál energiájú. Felszabaduláskor ez a potenciális energia fokozatosan kinetikus energiává alakul, és amint lecsúszik a sima, görbe rámpán, sebessége növekszik.

Az A és B közötti úton az egyenletesen változó egyenes vonalú egyenletek nem alkalmazhatók. Bár a gravitáció felelős a blokk mozgásáért, az általa megtapasztalható mozgás összetettebb, mivel a pálya nem egyenes.

Energiamegtakarítás az AB úton

Mivel azonban a gravitáció konzervatív erő, és a rámpán nincs súrlódás, a mechanikai energia megtakarításával megkeresheti a sebességet a rámpa végén:

A kifejezést egyszerűsítjük azzal, hogy megjegyezzük, hogy a tömeg minden kifejezésben megjelenik. Ez felszabadul a v _A = 0 nyugalomtól. És h _B talajszinten van, h _B = 0. Ezekkel az egyszerűsítésekkel a kifejezés a következőre csökken:

A BC szakaszban végzett dörzsöléssel végzett munka

Most a blokk ezzel a sebességgel kezdődik a durva szakaszon, és végül megáll a C ponton. Ezért v _C = 0. A mechanikus energiát már nem takarítják meg, mert a súrlódás szétszórt erő, ami a blokkon végzett munka:

Ez a munka negatív jele van, mivel a kinetikus súrlódás lelassítja az objektumot, és ellenzi annak mozgását. Az f _k kinetikus súrlódásának nagysága:

Ahol N a normál erő nagysága. A normál erőt a felület gyakorolja a blokkra, és mivel a felület teljesen vízszintes, ez egyensúlyozza a P = mg súlyt, tehát a normál nagysága:

Ami az alábbiakhoz vezet:

Az a munka, amelyet az f _k végez a blokkon, a következő: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D.

A mechanikai energia változásának kiszámítása

Ez a munka egyenértékű a mechanikai energia változásával, az alábbiak szerint számítva:

Ebben az egyenletben vannak olyan kifejezések, amelyek eltűnnek: K _C = 0, mivel a blokk C-nél megáll, és U _C = U _B szintén eltűnik, mivel ezek a pontok a talaj szintjén vannak. Az egyszerűsítés eredménye:

A tömeg ismét kiürül, és D a következőképpen kapható:

Irodalom

1. Bauer, W. 2011. Fizika a mérnöki és tudományos munkához. 1. kötet. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Sorozat: Fizika a tudomány és a technika számára. 2. kötet. Dinamika. Szerkesztette Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizika: alapelvek alkalmazásokkal. 6.. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fizika tudósok és mérnökök számára: stratégiai megközelítés. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Egyetemi fizika a modern fizikával. 14-én. Szerkesztés 1-2. Kötet