POTENCIÁLNÍ ENERGIE: VLASTNOSTI, TYPY, VÝPOČET A PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Potenciální energie je energie, která orgány v rámci své vlastní konfiguraci. Když objekty interagují, jsou mezi nimi síly schopné dělat práci a tato schopnost dělat práci, která je uložena v jejich uspořádání, může být převedena na energii.

Například lidé využívali potenciální energii vodopádů od nepaměti, nejprve točením v mlýnech a poté ve vodních elektrárnách.

Niagarské vodopády: obrovský rezervoár energie gravitačního potenciálu. Zdroj: Pixabay.

Na druhou stranu, mnoho materiálů má pozoruhodnou schopnost dělat práci tím, že se zdeformuje a poté se vrací do své původní velikosti. A za jiných okolností uspořádání elektrického náboje umožňuje ukládání elektrické potenciální energie, například v kondenzátoru.

Potenciální energie nabízí mnoho možností, jak se přeměnit na jiné formy využitelné energie, a proto je důležité znát zákony, kterými se řídí.

Původ potenciální energie

Potenciální energie objektu má svůj původ ve silách, které jej ovlivňují. Potenciální energie je však skalární veličina, zatímco síly jsou vektorové. Proto pro určení potenciální energie stačí uvést její číselnou hodnotu a vybrané jednotky.

Další důležitou kvalitou je typ síly, se kterou lze potenciální energii uložit, protože ne každá síla má tuto ctnost. Pouze konzervativní síly ukládají potenciální energii do systémů, na které působí.

Konzervativní síla je síla, pro kterou práce nezávisí na cestě, po které se objekt nachází, ale pouze na počátečním a cílovém bodě. Síla, která pohání padající vodu, je gravitace, což je konzervativní síla.

Na druhé straně elastické a elektrostatické síly mají také tuto kvalitu, proto je s nimi spojena potenciální energie.

Síly, které nesplňují výše uvedený požadavek, se nazývají nekonzervativní; Jejich příklady jsou tření a odpor vzduchu.

Druhy potenciální energie

Protože potenciální energie vždy pochází z konzervativních sil, jako jsou ty, které již byly zmíněny, mluvíme o gravitační potenciální energii, elastické potenciální energii, elektrostatické potenciální energii, jaderné potenciální energii a energii chemického potenciálu.

Gravitační potenciální energie

Každý objekt má potenciální energii v závislosti na své výšce od země. Tento zdánlivě jednoduchý fakt ilustruje, proč je padající voda schopna pohánět turbíny a nakonec být přeměněna na elektrickou energii. Zde uvedený příklad lyžaře také ukazuje vztah váhy a výšky k energii gravitačního potenciálu.

Dalším příkladem je horská dráha, která má vyšší potenciální energii, když je v určité výšce nad zemí. Jakmile dosáhne úrovně země, její výška se rovná nule a veškerá její potenciální energie byla přeměněna na kinetickou energii (energie pohybu).

Animace ukazuje výměnu mezi energií gravitačního potenciálu a kinetickou energií objektu pohybujícího se na horské dráze. Součet obou energií, nazývaných mechanická energie, je během pohybu konstantní. Zdroj: Wikimedia Commons.

Pružná potenciální energie

Předměty, jako jsou pružiny, luky, kuše a gumové pásy, jsou schopné ukládat elastickou potenciální energii.

Kreslením luku lukostřelec dělá práci, která je uložena jako potenciální energie systému luku-šípu. Když uvolníte příď, tato energie se přemění v pohyb šipky. Zdroj: Pixabay.

Pružnost těla nebo materiálu je popsána Hookeho zákonem (až do určitých limitů), který nám říká, že síla, která může vyvinout, když je stlačena nebo napnuta, je úměrná jeho deformaci.

Například v případě pružiny nebo pružiny to znamená, že čím více se smršťuje nebo natahuje, tím větší síla může působit na předmět umístěný na jednom konci.

Elektrostatická potenciální energie

Je to energie, kterou mají elektrické náboje díky své konfiguraci. Elektrické náboje stejného znaku se navzájem odpuzují, takže pro umístění dvojice kladných nebo záporných nábojů do určité polohy musí externí agent pracovat. Jinak by měli tendenci se oddělit.

Tato práce je uložena tak, jak byla umístěna zátěž. Čím blíže jsou poplatky stejného znamení, tím vyšší potenciální energie bude konfigurace mít. Opak se stává, pokud jde o spoustu různých znaků; Jak se navzájem přitahují, čím jsou blíž, tím méně energie mají.

Jaderná potenciální energie

Přibližné znázornění atomu helia. V jádru jsou protony zastoupeny červeně a neutrony modře.

Atomové jádro je tvořeno protony a neutrony, obecně nazývanými nukleony. První mají kladný elektrický náboj a druhý jsou neutrální.

Protože jsou aglomerovány v malém prostoru nad rámec představivosti a protože vědí, že náboje stejného znamení se navzájem odpuzují, člověk si klade otázku, jak atomové jádro zůstává soudržné.

Odpověď spočívá v jiných silách kromě elektrostatického odporu, charakteristického pro jádro, jako je silná jaderná interakce a slabá jaderná interakce. Jedná se o velmi silné síly, které daleko přesahují elektrostatickou sílu.

Chemická potenciální energie

Tato forma potenciální energie vychází z uspořádání atomů a molekul látek podle různých typů chemických vazeb.

Při chemické reakci může být tato energie přeměněna na jiné typy, například pomocí článku nebo elektrické baterie.

Příklady potenciální energie

Potenciální energie je v každodenním životě přítomna mnoha způsoby. Pozorování jeho účinků je stejně snadné jako umístění jakéhokoli předmětu do určité výšky a je jisté, že se může kdykoli převrátit nebo spadnout.

Zde jsou některé projevy výše popsaných typů potenciální energie:

-Horské dráhy

-Počet kopců nebo míčů z kopce

-Luky a šípy

-Elektrické baterie

- Kyvadlové hodiny

Když se jedna z koulí na koncích uvede do pohybu, pohyb se přenáší na ostatní. Zdroj: Pixabay.

- Šití na houpačce

-Skoč na trampolíně

- Použijte zasunovací pero.

Viz: příklady potenciální energie.

Výpočet potenciální energie

Potenciální energie závisí na práci provedené silou a to zase nezávisí na trajektorii, takže lze konstatovat, že:

- Pokud A a B jsou dva body, práce W _AB nezbytná pro přechod z A do B se rovná práci nutné pro přechod z B do A. Proto: W _AB = W _BA, takže:

- A pokud se pokusí připojit dva různé trajektorie 1 a 2 k uvedeným bodům A a B, je práce v obou případech stejná:

W ₁ = W ₂.

V obou případech objekt zažívá změnu v potenciální energii:

Potenciální energie objektu je definována jako negativní práce (konzervativní) síly:

Ale protože práce je definována tímto integrálem:

:

Všimněte si, že jednotky potenciální energie jsou stejné jako jednotky práce. V SI mezinárodním systému je jednotka joule, což je zkratka J a je rovna 1 newton x metr, anglickým fyzikem Jamesem Joulem (1818-1889).

Další jednotky energie zahrnují cgs erg, libra-síla x noha, BTU (British Thermal Unit), kalorií a kilowatthodiny.

Podívejme se níže na některé konkrétní případy, jak vypočítat potenciální energii.

Výpočet energie gravitačního potenciálu

V blízkosti zemského povrchu ukazuje gravitační síla svisle dolů a její velikost je dána rovnicí Hmotnost = hmotnost x gravitace.

Označení vertikální osy písmenem „y“ a přiřazení k tomuto směru jednotkovému vektoru j, pozitivnímu nahoru a zápornému dolů, změně potenciální energie, když se tělo pohybuje z y = y _A na y = a _B je:

Výpočet elastické potenciální energie

Hookeův zákon nám říká, že síla je úměrná deformaci:

Zde x je kmen a k je vlastní konstanta pružiny, která ukazuje, jak je tuhá. Tímto výrazem se vypočítá elastická potenciální energie, přičemž se bere v úvahu, že i je jednotkový vektor ve vodorovném směru:

Výpočet energie elektrostatického potenciálu

Když máte bodový elektrický náboj Q, vytvoří elektrické pole, které vnímá další bodový náboj q, a které na něm pracuje, když je přesunuto z jedné polohy do druhé uprostřed pole. Elektrostatická síla mezi dvěma bodovými náboji má radiální směr, symbolizovaný jednotkovým vektorem r:

Obrázek například 1. Zdroj: F. Zapata.

Řešení

Když je blok ve výšce h _A vzhledem k podlaze, má díky své výšce energii gravitačního potenciálu. Když je uvolněna, tato potenciální energie se postupně přeměňuje na kinetickou energii a jak klesá po hladké zakřivené rampe, její rychlost se zvyšuje.

Během cesty z A do B nelze použít rovnice rovnoměrně proměnlivého přímočarého pohybu. Ačkoli za pohyb bloku je zodpovědná gravitace, pohyb, který zažívá, je složitější, protože trajektorie není přímočará.

Zachování energie v cestě AB

Protože však gravitace je konzervativní síla a na rampě není žádné tření, můžete na konci nájezdové rychlosti najít zachování mechanické energie:

Výraz je zjednodušen tím, že se hmotnost objevuje v každém členu. Uvolňuje se z klidu v _A = 0. A h _B je na úrovni země, h _B = 0. U těchto zjednodušení se výraz sníží na:

Práce provedená třením v sekci BC

Nyní blok začíná touto rychlostí v hrubé části a nakonec se zastaví v bodě C. Proto v _C = 0. Mechanická energie již není zachována, protože tření je disipativní síla, která vytvořila práce na bloku daná:

Tato práce má negativní znamení, protože kinetické tření zpomaluje objekt a brání jeho pohybu. Velikost kinetického tření f _k je:

Kde N je velikost normální síly. Normální síla je vyvíjena povrchem na blok a protože povrch je zcela vodorovný, vyvažuje hmotnost P = mg, proto velikost normálu je:

Což vede k:

Práce, kterou f _k v bloku dělá, je: W _k = - f _k. D = - μ _k.mg.D.

Výpočet změny mechanické energie

Tato práce je ekvivalentní ke změně mechanické energie, vypočítané takto:

V této rovnici jsou některé pojmy, které mizí: K _C = 0, protože blok se zastaví na C a U _C = U _B také zmizí, protože tyto body jsou na úrovni země. Výsledkem zjednodušení je:

Hmota se opět zruší a D lze získat následujícím způsobem:

Reference

1. Bauer, W. 2011. Fyzika pro strojírenství a vědy. Svazek 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Série: Fyzika pro vědu a techniku. Svazek 2. Dynamika. Editoval Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fyzika: Principy s aplikacemi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fyzika pro vědce a inženýrství: strategický přístup. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitní fyzika s moderní fyzikou. 14. Ed. Volume 1-2.