Energia potencjalna w fizyce — definicja, rodzaje i jednostka (J)
Energia potencjalna — definicja, rodzaje (grawitacyjna, sprężysta, elektryczna) i jednostka (J). Przejrzyste wyjaśnienia, wzory i praktyczne przykłady.
Energia potencjalna to zmagazynowana lub złożona energia obiektu. Często kontrastuje się ją z energią kinetyczną.
W fizyce energia potencjalna jest to energia, którą obiekt posiada dzięki swojemu położeniu w polu siłowym lub którą posiada system dzięki sposobowi ułożenia jego części. Typy powszechne obejmują grawitacyjną energię potencjalną obiektu, która zależy od jego pionowego położenia i masy, sprężystąenergię potencjalną wydłużonej sprężyny oraz energię potencjalną ładunku elektrycznego w polu elektrycznym. Jednostką energii w układzie SI jest dżul (symbol J).
Energia potencjalna jest często związana z przywracaniem sił takich jak sprężyna czy siła grawitacji. Działanie polegające na rozciągnięciu sprężyny lub podniesieniu masy wykonywane jest przez siłę zewnętrzną, która działa na pole siłowe potencjału. Praca ta jest magazynowana w polu siłowym, o którym mówi się, że jest magazynowana jako energia potencjalna. Jeśli siła zewnętrzna zostanie usunięta, pole siłowe działa na ciało w celu wykonania pracy, ponieważ przenosi je z powrotem do pozycji wyjściowej, zmniejszając rozciąganie sprężyny lub powodując upadek ciała. Kiedy to nastąpi, energia potencjalna zmienia się w energię kinetyczną. Całkowita energia pozostaje taka sama z powodu prawa zachowania energii.
Fizycy twierdzą, że energia potencjalna to różnica pomiędzy energią obiektu w danej pozycji a jego energią w pozycji odniesienia.
Co to znaczy w praktyce?
Energia potencjalna nie jest cechą samego obiektu niezależnie od układu odniesienia — ma sens dopiero jako różnica energii między dwoma konfiguracjami (pozycjami). Wybór poziomu odniesienia (gdzie przyjmujemy U = 0) jest dowolny i zależy od wygody obliczeń; istotne są zmiany energii potencjalnej między stanami.
Wzory i zależności
- Grawitacyjna (przybliżenie blisko powierzchni Ziemi): U = m g h, gdzie m to masa, g ≈ 9,81 m/s² przyspieszenie grawitacyjne, a h wysokość względem przyjętego poziomu odniesienia. Przykład: podniesienie masy 1 kg na wysokość 1 m zwiększa energię potencjalną o ≈ 9,81 J.
- Grawitacyjna (ogólna, oddziaływanie dwóch mas): U(r) = -G m M / r, gdzie G to stała grawitacyjna, m i M to masy, a r odległość między ich środkami. Minus wskazuje, że energia potencjalna jest ujemna dla układów związanych (wiązanych grawitacyjnie).
- Sprężysta (dla sprężyny zgodnej z prawem Hooke’a): U = 1/2 k x², gdzie k to stała sprężystości, a x odkształcenie (wydłużenie lub ściśnięcie) względem położenia równowagi.
- Elektrostatyczna: dla dwóch ładunków punktowych U = (1/4πε0) q1 q2 / r (lub w skrócie k q1 q2 / r). Dla ładunku q w polu o potencjale V mamy U = q V.
Siła a energia potencjalna
Dla pól konserwatywnych (takich jak pole grawitacyjne, sprężyste czy elektrostatyczne) istnieje funkcja U taka, że siła działająca na cząstkę jest związana z potencjałem przez:
1D: F(x) = -dU/dx. W przestrzeni trójwymiarowej: F = -∇U.
Minus oznacza, że siła działa w kierunku zmniejszania energii potencjalnej. Z tego też wynika związek pracy i energii: praca wykonana przez siły konserwatywne przy przemieszczaniu ciała z punktu A do B równa się -ΔU = U(A) - U(B).
Konserwatywne vs. niekonserwatywne siły
Tylko przy siłach konserwatywnych sensowna jest funkcja energii potencjalnej zależna wyłącznie od położenia. Siły niekonserwatywne (np. tarcie) rozpraszają energię i nie da się przypisać im jednoznacznej energii potencjalnej zależnej jedynie od położenia — wymagają one opisu pracy zależnej od ścieżki.
Znak i poziom odniesienia
W wielu układach istotny jest znak energii potencjalnej. Przykładowo w ogólnym prawie grawitacji energia potencjalna układu dwóch mas przy r→∞ dąży do zera, a przy mniejszych r jest ujemna — co oznacza układ związany (energia całkowita układu musi być ujemna, aby był związany). W praktyce jednak częściej ważne są zmiany energii (ΔU), dlatego punkt U = 0 można przyjąć wygodnie (np. powierzchnia Ziemi, nieskończoność, położenie sprężyny w spoczynku).
Potencjał per unit (na jednostkę)
- Potencjał grawitacyjny φ = U/m (energia potencjalna na jednostkę masy).
- Potencjał elektryczny V = U/q (energia potencjalna na jednostkę ładunku).
Zastosowania i przykłady
- Obliczanie energii wymaganej do podniesienia ładunków lub mas, projektowanie maszyn podnoszących, systemów magazynowania energii sprężynowej.
- Analiza orbitali planetarnych i satelitów (energia potencjalna grawitacji decyduje o ruchu orbitalnym).
- Projektowanie układów elektrostatycznych i analizowanie pracy, jaką trzeba wykonać, aby przemieścić ładunek.
- W fizyce mikroskopowej i chemii energia potencjalna między cząsteczkami decyduje o stabilności układów i przebiegu reakcji.
Jednostka
Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J). Jeden dżul to praca wykonana przez siłę jednego newtona przesuwającą punkt o jeden metr w kierunku działania siły (1 J = 1 N·m).
Podsumowanie
Energia potencjalna to sposób zapisu energii związanej z pozycją lub konfiguracją części układu w polu siłowym. Ważne cechy to zależność od układu odniesienia, powiązanie z siłami konserwatywnymi (F = -∇U), oraz przekształcanie się w energię kinetyczną przy ruchu. Znajomość formuł dla konkretnych pól (mgh, -GmM/r, 1/2 k x², k q1 q2 / r) pozwala obliczać pracę i analizować zachowanie układów mechanicznych, elektromagnetycznych i astronomicznych.
Proste przykłady
Sprowadzenie skały pod górę zwiększa jej potencjalną energię pod wpływem grawitacji. Naciągnięcie gumy zwiększa jej elastyczną energię potencjalną, która jest formą energii elektrycznej. Mieszanka paliwa i utleniacza posiada chemiczną energię potencjalną, która jest inną formą energii potencjału elektrycznego. Baterie również posiadają energię potencjału chemicznego.
Rodzaje energii potencjalnej
Istnieją różne rodzaje energii potencjalnej, z których każdy związany jest z określonym rodzajem siły.
Potencjał grawitacyjny energii
Potencjalna energia grawitacyjna jest odczuwana przez obiekt, gdy wysokość i masa jest czynnikiem w układzie. Energia potencjalna grawitacyjna powoduje, że obiekty poruszają się do siebie. Jeśli obiekt jest podnoszony w pewnej odległości od powierzchni Ziemi, doświadczana siła jest spowodowana ciężarem i wysokością. Praca jest definiowana jako siła na odległość, a praca jest innym słowem oznaczającym energię. Potencjalna energia dodawana podczas podnoszenia obiektu jest:
U = F Δ h {\i1} {\i1}Delta h} 
gdzie
F (styropian
F) jest siłą grawitacji
Δ h
{\i1}Delta h}jest zmiana wysokości
lub
U = m g h h {\i1} {\i1}Styl stylistyczny U=mgh} 
Here, g = 9.81 m / s 2 {\i1}textstyle g=9.81\i0} \i1}mathrm {m/s} ^{2}}
to przyspieszenie spowodowane grawitacją.
Całkowita praca wykonywana przez grawitacyjną energię potencjalną, gdy obiekt spada z pozycji 1 do pozycji 2 jest:
Δ W = U 1 - U 2 {\i1}Delta W=U_{1}-U_{2}} 
lub
Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\i1} {\i1}Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}} 
gdzie
m
{\i1}jest masą obiektu.{\i0}
h 1
{\i1}to pierwsza pozycja
h 2
{\i1}jest druga pozycja{\i0}
Potencjał energii elektrycznej
Potencjał energii elektrycznej jest doświadczany przez ładunki zarówno różne, jak i podobne, ponieważ odpychają się lub przyciągają nawzajem. Ładunki mogą być dodatnie (+) lub ujemne (-), gdzie przeciwne ładunki przyciągają i podobne ładunki odpychają się. Jeżeli dwa ładunki zostały umieszczone w pewnej odległości od siebie, energia potencjalna zmagazynowana pomiędzy tymi ładunkami może być obliczona przez:
U = k Q q r {\i1} {\i1}Styl stylistyczny U== {\i1}frac {\i1}{r}} 
gdzie
k
{\i1}jest 1/4πє (dla powietrza lub podciśnienia jest to 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\i1}Nm^{2}/C^{2}}) 
)
Q
{\i1}jest pierwszym ładunkiem.{\i0}
{\i1}Displastyla 
q}jest drugim ładunkiem.{\i0}
r
{\i1}jest odległość od siebie.{\i0}
Elastyczna energia potencjalna
Elastyczna energia potencjalna jest odczuwana, gdy gumowy materiał jest ściągany lub przesuwany razem. Ilość energii potencjalnej, jaką dysponuje dany materiał, zależy od odległości, na jaką jest on ciągnięty lub pchany. Im dłuższy dystans, tym większą elastyczną energię potencjalną posiada materiał. Jeśli materiał jest ciągnięty lub pchany, energia potencjalna może być obliczona przez:
U = 1 2 k x 2 {\i1} {\i1}frac {\i1}{\i1}kx^{\i2}} 
gdzie
k (styropiank) to stała siła sprężyny (jak dobrze materiał rozciąga się lub ściska)
x
{\i1}jest to odległość, jaką materiał przesunął się od pierwotnego położenia
Powiązane strony
- Energia kinetyczna
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest energia potencjalna?
O: Energia potencjalna to zmagazynowana lub skumulowana energia obiektu. Jest ona często przeciwstawiana energii kinetycznej i jest energią, którą obiekt posiada ze względu na swoje położenie w polu siłowym lub którą posiada system ze względu na sposób rozmieszczenia jego części.
P: Jakie są niektóre popularne rodzaje energii potencjalnej?
O: Popularne rodzaje energii potencjalnej to energia potencjalna grawitacji, energia potencjalna sprężystości i energia potencjalna elektryczności.
P: Jaka jest jednostka miary energii w układzie SI?
O: Jednostką miary energii w układzie SI jest dżul (symbol J).
P: Jak praca jest przechowywana jako energia potencjalna?
O: Praca zostaje zmagazynowana jako potencjalna, gdy jest wykonana przez siłę zewnętrzną, która działa przeciwko polu siłowemu potencjału. Praca ta jest wtedy przechowywana w polu siłowym jako energia potencjalna.
P: W jaki sposób energia potencjalna zmienia się w kinetyczną?
O: Kiedy siła zewnętrzna, która działała przeciwko polu siłowemu danej pozycji, zostaje usunięta, powoduje to, że ciało przesuwa się z powrotem do pozycji wyjściowej, zmniejszając naprężenie sprężyny lub powodując upadek ciała. W tym momencie istniejący potencjał zmienia się w energię kinetyczną, a całkowita ilość pozostaje stała, zgodnie z prawem zachowania energii.
P: Jak fizycy definiują Energię Potencjalną?
O: Fizycy twierdzą, że Energię Potencjalną można zdefiniować jako różnicę pomiędzy energiami obiektu w danej pozycji i pozycji odniesienia.
Przeszukaj encyklopedię