POTENTIELL ENERGI: EGENSKAPER, TYPER, BERÄKNING OCH EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den potentiella energin är den energi som organiseras under sin egen konfiguration. När föremål interagerar finns det krafter mellan dem som kan utföra arbete, och denna förmåga att utföra arbete, som lagras i deras arrangemang, kan översättas till energi.

Till exempel har människor utnyttjat den potentiella energin från vattenfall sedan urminnes tider, först genom att snurra kvarnar och sedan vid vattenkraftverk.

Niagara Falls: en enorm behållare med tyngdkraftspotentialenergi. Källa: Pixabay.

Å andra sidan har många material en anmärkningsvärd förmåga att utföra arbete genom att deformera och sedan återgå till sin ursprungliga storlek. Och under andra omständigheter tillåter arrangemanget av den elektriska laddningen lagring av elektrisk potentiell energi, till exempel i en kondensator.

Potentialenergi erbjuder många möjligheter att omvandlas till andra former av användbar energi, varför vikten av att känna till lagarna som styr den.

Ursprunget till potentiell energi

Ett objekts potentiella energi har sitt ursprung i de krafter som påverkar det. Potentiell energi är emellertid en skalmängd, medan krafter är vektor. För att ange den potentiella energin räcker det därför med att ange dess numeriska värde och de valda enheterna.

En annan viktig kvalitet är den typ av kraft som potentiell energi kan lagras med eftersom inte alla krafter har denna dygd. Endast konservativa krafter lagrar potentiell energi i de system som de verkar på.

En konservativ kraft är en för vilken arbetet inte beror på den väg som objektet följs, utan endast på startpunkten och ankomstpunkten. Kraften som driver det fallande vattnet är gravitationen, som är en konservativ kraft.

Å andra sidan har elastiska och elektrostatiska krafter också denna kvalitet, därför finns det potentiell energi associerad med dem.

Krafter som inte uppfyller ovannämnda krav kallas icke-konservativa; Exempel på dessa är friktion och luftmotstånd.

Typer av potentiell energi

Eftersom potentiell energi alltid härrör från konservativa krafter som de som redan nämnts talar vi om tyngdkraftspotentialenergi, elastisk potentiell energi, elektrostatisk potentiell energi, kärnkraftspotentialenergi och kemisk potentiell energi.

Potentiell gravitationsenergi

Varje objekt har potentiell energi som en funktion av dess höjd från marken. Detta till synes enkla faktum illustrerar varför fallande vatten kan driva turbiner och så småningom omvandlas till elektrisk energi. Skidåkareexemplet som visas här visar också förhållandet mellan vikt och höjd till gravitationspotentialenergi.

Ett annat exempel är en berg-och dalbana som har högre potentialenergi när den är i en viss höjd över marken. När den har nått marknivån är dess höjd lika med noll och all sin potentiella energi har omvandlats till kinetisk energi (rörelseenergi).

Animationen visar utbytet mellan gravitationspotentialenergi och kinetisk energi, mellan ett objekt som rör sig på en berg-och dalbana. Summan av båda energierna, kallad mekanisk energi, är konstant under hela rörelsen. Källa: Wikimedia Commons.

Elastisk potentiell energi

Föremål som fjädrar, bågar, korsbågar och gummiband kan lagra elastisk potentiell energi.

Genom att rita bågen gör bågskytten arbete som lagras som potentiell energi i pilbågsystemet. När du släpper bågen förvandlas denna energi till pilens rörelse. Källa: Pixabay.

Elasticiteten hos en kropp eller ett material beskrivs av Hookes lag (upp till vissa gränser), som säger att kraften som kan utövas när den komprimeras eller sträckes är proportionell mot dess deformation.

Till exempel i fallet med en fjäder eller fjäder, betyder detta att ju mer den krymper eller sträcker sig, desto större kraft kan den utöva på ett föremål placerat i ena änden.

Elektrostatisk potentiell energi

Det är den energi som elektriska laddningar har genom sin konfiguration. Elektriska laddningar av samma skylt stöter varandra, så för att placera ett par positiva eller negativa laddningar i en viss position måste en extern agent arbeta. Annars brukar de skilja sig.

Detta arbete lagras på det sätt som lasterna var belägna. Ju närmare laddningarna av samma skylt är, desto högre potentiell energi kommer konfigurationen att ha. Det motsatta händer när det gäller massor av olika tecken; När de lockar varandra, ju närmare de är, desto mindre potentiell energi har de.

Kärnkraftsenergi

Ungefärlig representation av Helium-atomen. I kärnan representeras protonerna i rött och neutronerna i blått.

Atomkärnan består av protoner och neutroner, generellt kallade nukleoner. De förstnämnda har en positiv elektrisk laddning och de senare är neutrala.

Eftersom de agglomereras i ett litet utrymme utanför fantasin och att veta att laddningar av samma tecken stöter varandra undrar man hur atomkärnan förblir sammanhängande.

Svaret ligger i andra krafter förutom elektrostatisk avstötning, karakteristisk för kärnan, såsom den starka kärnkraftsinteraktionen och den svaga kärnkraftsinteraktionen. Det här är mycket starka krafter som överträffar den elektrostatiska kraften.

Kemisk potentiell energi

Denna form av potentiell energi kommer från hur atomer och molekyler av ämnen är arrangerade, beroende på olika typer av kemiska bindningar.

När en kemisk reaktion äger rum kan denna energi omvandlas till andra typer, till exempel med hjälp av en cell eller ett elektriskt batteri.

Exempel på potentiell energi

Potentiell energi finns i vardagen på många sätt. Att observera dess effekter är lika enkelt som att placera ett objekt i en viss höjd och vara säker på att det kan rulla eller falla när som helst.

Här är några manifestationer av de typer av potentiell energi som tidigare beskrivits:

-Berg-och dalbanor

-Bilar eller bollar som rullar nedförsbacke

-Bågar och pilar

-Elektriska batterier

-En pendelklocka

När en av sfärerna i ändarna sätts i rörelse överförs rörelsen till de andra. Källa: Pixabay.

-Svinga på en gunga

-Hoppa på en trampolin

-Använd en utdragbar penna.

Se: exempel på potentiell energi.

Beräkning av potentiell energi

Den potentiella energin beror på det arbete som utförs av kraften och detta i sin tur beror inte på banan, så det kan sägas att:

-Om A och B är två punkter, är det arbete W _{AB som} krävs för att gå från A till B lika med det arbete som krävs för att gå från B till A. Därför: W _AB = W _BA , så:

-Och två olika banor 1 och 2 försöks gå med i nämnda punkter A och B, är det arbete som utförts i båda fallen också detsamma:

W ₁ = W ₂ .

I båda fallen upplever objektet en förändring i potentiell energi:

Objektets potentiella energi definieras som det negativa av det arbete som utförts av den (konservativa) kraften:

Men eftersom arbete definieras av denna integral:

:

Observera att enheterna för potentiell energi är desamma som för arbetet. I SI International System är enheten dinle, som är förkortad J och är lika med 1 newton x meter, av den engelska fysikern James Joule (1818-1889).

Andra enheter för energi inkluderar cgs erg, pundkraften x foten, BTU (British Thermal Unit), kalorierna och kilowatt-timmen.

Låt oss se nedan några speciella fall om hur man beräknar potentiell energi.

Beräkning av gravitationspotentialenergi

I närheten av jordytan pekar tyngdkraften vertikalt nedåt och dess storlek anges av ekvationen Vikt = massa x tyngdkraft.

Betecknar den vertikala axeln med bokstaven "y" och tilldelar i denna riktning enhetsvektorn j , positiv upp och negativ nedåt, förändringen i potentiell energi när en kropp rör sig från y = y _A till y = och _B är :

Beräkning av elastisk potentiell energi

Hookes lag säger att kraften är proportionell mot deformationen:

Här är x belastningen och k är en egenkonstant för våren, vilket indikerar hur styv den är. Genom detta uttryck beräknas den elastiska potentiella energin med hänsyn till att i är enhetsvektorn i horisontell riktning:

Beräkning av elektrostatisk potentiell energi

När du har en punktelektrisk laddning Q, producerar den ett elektriskt fält som uppfattar en annan punktladdning q, och som fungerar på den när den flyttas från en position till en annan i mitten av fältet. Den elektrostatiska kraften mellan tvåpunktsladdningar har en radiell riktning, symboliserad av enhetsvektorn r :

Figur till exempel 1. Källa: F. Zapata.

Lösning

När blocket är på en höjd h _A med avseende på golvet har det gravitationspotentialenergi på grund av dess höjd. När den frigörs konverteras denna potentiella energi gradvis till kinetisk energi, och när den glider ner den släta krökta rampen ökar dess hastighet.

Under vägen från A till B kan ekvationerna av jämnt varierad rätlinjig rörelse inte tillämpas. Även om tyngdkraften är ansvarig för blockets rörelse, är rörelsen det upplever mer komplex, eftersom banan inte är rätlinjig.

Energibesparing i väg AB

Eftersom tyngdkraften är en konservativ kraft och det inte finns någon friktion på rampen, kan du använda bevarande av mekanisk energi för att hitta hastigheten i slutet av rampen:

Uttrycket förenklas genom att notera att massan visas i varje term. Det frigörs från vila v _A = 0. Och h _B är på marknivå, h _B = 0. Med dessa förenklingar minskar uttrycket till:

Arbeta genom att gnugga i avsnitt BC

Nu börjar blocket sin resa i den grova sektionen med denna hastighet och slutar slutligen vid punkt C. Därför v _C = 0. Mekanisk energi bevaras inte längre, eftersom friktion är en dissipativ kraft, som har gjort en arbeta på blocket som ges av:

Detta arbete har ett negativt tecken, eftersom den kinetiska friktionen bromsar objektet och motsätter sig dess rörelse. Storleken på den kinetiska friktionen _fk är:

Där N är storleken på normalkraften. Normalkraften utövas av ytan på blocket, och eftersom ytan är helt horisontell balanserar den vikten P = mg, därför är normalens storlek:

Som leder till:

Arbetet som f _k gör på blocket är: W _k = - f _k. D = - μ _k. Mg.D.

Beräkning av förändring i mekanisk energi

Detta arbete motsvarar förändringen i mekanisk energi, beräknad så här:

I denna ekvation finns det några termer som försvinner: K _C = 0, eftersom blocket stannar vid C och U _C = U _B försvinner också , eftersom dessa punkter är på marknivå. Förenklingen resulterar i:

Massan avbryter igen och D kan erhållas enligt följande:

referenser

1. Bauer, W. 2011. Fysik för teknik och vetenskap. Volym 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Fysik för vetenskap och teknik. Volym 2. Dynamics. Redigerad av Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6:e. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Fysik för forskare och teknik: en strategi-strategi. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med modern fysik. 14:e. Utg. Volym 1-2.