Plik energia potencjalna Jest to energia, którą posiadają ciała z racji swojej konfiguracji. Kiedy przedmioty oddziałują na siebie, istnieją między nimi siły zdolne do wykonywania pracy, a ta zdolność do wykonywania pracy, która jest przechowywana w ich dyspozycji, może zostać przekształcona w energię..
Na przykład ludzie od niepamiętnych czasów wykorzystywali energię potencjalną wodospadów, najpierw obracając młyny, a następnie w elektrowniach wodnych..
Z drugiej strony wiele materiałów ma niezwykłą zdolność do pracy poprzez odkształcenie, a następnie powrót do pierwotnego rozmiaru. W innych okolicznościach układ ładunku elektrycznego umożliwia magazynowanie elektrycznej energii potencjalnej, jak na przykład w kondensatorze.
Energia potencjalna daje wiele możliwości przekształcenia się w inne formy energii użytkowej, stąd tak ważna jest znajomość praw, które nią rządzą..
Indeks artykułów
Energia potencjalna obiektu ma swoje źródło w siłach, które na niego działają. Jednak energia potencjalna jest wielkością skalarną, podczas gdy siły są wektorami. Dlatego, aby określić energię potencjalną, wystarczy wskazać jej wartość liczbową oraz wybrane jednostki.
Inną ważną cechą jest rodzaj siły, z jaką można zmagazynować energię potencjalną, ponieważ nie każda siła ma tę zaletę. Tylko siły zachowawcze przechowują energię potencjalną w systemach, na które oddziałują.
Siła konserwatywna to taka, w przypadku której praca nie zależy od ścieżki, po której przebywa obiekt, ale tylko od punktu początkowego i punktu przybycia. Siłą napędzającą spadającą wodę jest grawitacja, która jest siłą zachowawczą.
Z drugiej strony, siły sprężyste i elektrostatyczne również mają tę właściwość, dlatego jest z nimi związana energia potencjalna..
Siły, które nie spełniają powyższego warunku, nazywane są niekonserwatywnymi; Przykładem z nich jest tarcie i opór powietrza.
Ponieważ energia potencjalna zawsze pochodzi z sił zachowawczych, takich jak te już wspomniane, mówimy o potencjalnej energii grawitacyjnej, elastycznej energii potencjalnej, elektrostatycznej energii potencjalnej, jądrowej energii potencjalnej i chemicznej energii potencjalnej..
Każdy obiekt ma energię potencjalną jako funkcję jego wysokości nad ziemią. Ten pozornie prosty fakt ilustruje, dlaczego spadająca woda może napędzać turbiny i ostatecznie przekształcić się w energię elektryczną. Pokazany tutaj przykład narciarza również pokazuje zależność wagi i wzrostu od grawitacyjnej energii potencjalnej.
Innym przykładem jest kolejka górska, która ma wyższą energię potencjalną, gdy znajduje się na określonej wysokości nad ziemią. Po osiągnięciu poziomu gruntu jego wysokość jest równa zeru, a cała jego energia potencjalna zostaje zamieniona na energię kinetyczną (energię ruchu).
Obiekty takie jak sprężyny, łuki, kusze i gumki są zdolne do magazynowania elastycznej energii potencjalnej..
Elastyczność ciała lub materiału jest opisana przez prawo Hooke'a (do pewnych granic), które mówi nam, że siła, jaką może wywierać, gdy jest ściskany lub rozciągany, jest proporcjonalna do jego odkształcenia.
Na przykład w przypadku sprężyny lub sprężyny oznacza to, że im bardziej się kurczy lub rozciąga, tym większą siłę może wywierać na przedmiot umieszczony na jednym końcu..
Jest to energia, którą posiadają ładunki elektryczne ze względu na swoją konfigurację. Ładunki elektryczne o tym samym znaku odpychają się wzajemnie, więc aby umieścić parę ładunków dodatnich lub ujemnych w określonej pozycji, musi działać czynnik zewnętrzny. W przeciwnym razie mieliby tendencję do rozdzielania się.
Ta praca jest przechowywana w sposób, w jaki znajdowały się ładunki. Im bliżej ładunków tego samego znaku, tym wyższa energia potencjalna będzie miała konfiguracja. W przypadku wielu różnych znaków dzieje się odwrotnie; jak się przyciągają, im są bliżej, tym mniej energii potencjalnej mają.
Jądro atomowe składa się z protonów i neutronów, ogólnie nazywanych nukleony. Te pierwsze mają dodatni ładunek elektryczny, a drugie są neutralne..
Ponieważ są skupione w niewielkiej przestrzeni poza wyobraźnią i wiedząc, że ładunki tego samego znaku odpychają się, można się zastanawiać, jak jądro atomowe pozostaje spójne.
Odpowiedź leży w siłach innych niż odpychanie elektrostatyczne, typowych dla jądra, takich jak silne oddziaływanie jądrowe i słabe oddziaływanie jądrowe. Są to bardzo silne siły, które znacznie przewyższają siłę elektrostatyczną.
Ta forma energii potencjalnej pochodzi z ułożenia atomów i cząsteczek substancji zgodnie z różnymi typami wiązań chemicznych..
Gdy zachodzi reakcja chemiczna, energię tę można przekształcić w inne rodzaje, na przykład za pomocą baterii lub baterii elektrycznej.
Potencjalna energia jest obecna w życiu codziennym na wiele sposobów. Obserwowanie jego efektów jest tak proste, jak umieszczenie dowolnego przedmiotu na określonej wysokości i upewnienie się, że w dowolnym momencie może się on przetoczyć lub upaść.
Oto kilka przejawów wcześniej opisanych rodzajów energii potencjalnej:
-Kolejki górskie
-Samochody lub piłki toczące się w dół
-Łuki i strzały
-Baterie elektryczne
-Wahadło zegara
-Huśtawka na huśtawce
-Wskocz na trampolinę
-Korzystanie z wysuwanego długopisu.
Zobacz: przykłady energii potencjalnej.
Energia potencjalna zależy od pracy wykonanej przez siłę, a ta z kolei nie zależy od trajektorii, więc można stwierdzić, że:
-Jeśli A i B to dwa punkty, praca WAB konieczność przejścia z punktu A do B jest równa pracy niezbędnej do przejścia z punktu B do A. Dlatego: WAB = WBA, więc:
WAB + WBA = 0
-A jeśli dwie różne trajektorie 1 i 2 zostaną połączone ze wspomnianymi punktami A i B, praca wykonana w obu przypadkach jest również taka sama:
W1 = Wdwa.
W obu przypadkach obiekt doświadcza zmiany energii potencjalnej:
Zmiana = końcowa energia potencjalna - początkowa energia potencjalna
ΔU = Ufinał - LUBInicjał = Ub - LUBDO
Otóż energia potencjalna obiektu jest definiowana jako negatyw pracy wykonanej przez (zachowawczą) siłę:
ΔU = -WAB
Ale ponieważ praca jest zdefiniowana przez tę całkę:
Zauważ, że jednostki energii potencjalnej są takie same jak jednostki pracy. W międzynarodowym systemie SI jednostką jest dżul, który jest w skrócie J i jest równoważny 1 niuton x metr, angielski fizyk James Joule (1818-1889).
Inne jednostki energii to cgs erg, funt-siła x stopa, BTU (Brytyjska jednostka termiczna), kalorie i kilowatogodziny.
Zobaczmy poniżej kilka konkretnych przypadków, jak obliczyć energię potencjalną.
W pobliżu powierzchni ziemi siła grawitacji skierowana jest pionowo w dół, a jej wielkość jest określona równaniem Waga = masa x grawitacja.
Oznaczając oś pionową literą „y” i przypisując do tego kierunku wektor jednostkowy jot, dodatnia w górę i ujemna w dół, zmiana energii potencjalnej, gdy ciało się przemieszcza y = yDO aż do y = yb to jest:
U (y) = mgy
Prawo Hooke'a mówi nam, że siła jest proporcjonalna do odkształcenia:
F = -k.x
Tutaj x jest odkształceniem i k jest stałą własną sprężyny, która wskazuje na jej sztywność. Za pomocą tego wyrażenia obliczana jest sprężysta energia potencjalna, biorąc to pod uwagę ja jest wektorem jednostkowym w kierunku poziomym:
U (x) = ½ kxdwa
Kiedy masz punktowy ładunek elektryczny Q, wytwarza on pole elektryczne, które dostrzega inny ładunek punktowy co, i że działa na nim, gdy jest przenoszony z jednej pozycji do drugiej na środku pola. Siła elektrostatyczna między dwoma ładunkami punktowymi ma kierunek promieniowy, symbolizowany przez wektor jednostkowy r:
Sprężyna, której stała jest k = 10,0 N / cm rozciąga się początkowo 1,00 cm od długości równowagi. Zostaniesz poproszony o obliczenie dodatkowej energii potrzebnej do rozciągnięcia sprężyny do 5,00 cm poza jej równowagową długość..
Bezpośrednio podstawiając x = 1,00 cm do równania na U (x), otrzymujemy N.cm, ale centymetry należy przeliczyć na metry, aby uzyskać energię w dżulach:
U (1) = 0,5 x 10,0 N / cm x (1,00 cm)dwa = 5 N, cm = 0,05 J; U (5) = 0,5 x 10,0 N / cm x (5,00 cm)dwa = 125 N. cm = 1,25 J.
Dlatego poszukiwana różnica energii wynosi 1,25 - 0,05 J = 1,20 J..
Mały klocek jest zwalniany z miejsca spoczynku z punktu A, aby przesuwać się po beztarciowej zakrzywionej pochylni do punktu B. Stamtąd wchodzi na długą szorstką poziomą powierzchnię o dynamicznym współczynniku tarcia μk = 0,2. Znajdź, jak daleko od punktu B się zatrzymuje, zakładając, że hDO= 3m.
Kiedy blok znajduje się na wysokości hDO W stosunku do ziemi ma grawitacyjną energię potencjalną ze względu na swoją wysokość. Po uwolnieniu ta energia potencjalna jest stopniowo przekształcana w energię kinetyczną, a gdy zsuwa się po gładkiej zakrzywionej rampie, jej prędkość wzrasta..
Na drodze od A do B nie można zastosować równań ruchu prostoliniowego o zmiennej równomierności. Chociaż grawitacja jest odpowiedzialna za ruch bloku, ruch, którego doświadcza, jest bardziej złożony, ponieważ trajektoria nie jest prostoliniowa.
Jednak ponieważ grawitacja jest siłą zachowawczą i nie ma tarcia na rampie, możesz użyć zasady zachowania energii mechanicznej, aby znaleźć prędkość na końcu rampy:
Energia mechaniczna w A = Energia mechaniczna w B.
m.g.hDO + ½ m.vDOdwa = m.g.hb + ½ m.vbdwa
Wyrażenie jest uproszczone, zauważając, że masa pojawia się w każdym wyrażeniu. Jest zwolniony z reszty vDO = 0, a hb jest na poziomie gruntu, hb = 0. Dzięki tym uproszczeniom wyrażenie sprowadza się do:
vbdwa = ghDO
Teraz blok rozpoczyna swoją podróż w nierównym odcinku z tą prędkością i ostatecznie zatrzymuje się w punkcie C. Dlatego vdo = 0. Energia mechaniczna nie jest już zachowywana, ponieważ tarcie jest siłą rozpraszającą, która wykonała pracę na bloku określoną przez:
Wdotknąć = - siła tarcia x przebyta odległość
Ta praca ma znak ujemny, ponieważ tarcie kinetyczne spowalnia obiekt, przeciwstawiając się jego ruchowi. Wielkość tarcia kinetycznego fak to jest:
fak = μk .N
Gdzie N jest wielkością siły normalnej. Powierzchnia wywiera normalną siłę na blok, a ponieważ powierzchnia jest całkowicie pozioma, równoważy ciężar P = mg, dlatego wielkość normy wynosi:
N = mg
Który prowadzi do:
fak = μk .mg
Ta praca fak co do bloku to: Wk = - fk .D = - μk .mg D..
Ta praca jest równoważna zmiana energii mechanicznej, obliczone w ten sposób:
Energia mechaniczna w C - Energia mechaniczna w B =
ΔEm = (Udo +K.do) - (LUBb + K.b) = - μk .mg D.
W tym równaniu jest kilka terminów, które znikają: Kdo = 0, ponieważ blok zatrzymuje się na C i U również znikajądo = Ub, ponieważ te punkty znajdują się na poziomie gruntu. Uproszczenie skutkuje:
- K.b = - μk .m.g.D
½ m.vbdwa = μk .m.g.D
Masa ponownie się anuluje, a D można uzyskać w następujący sposób:
D = (½ wbdwa) / (μk . g) = (½ wbdwa) / (μk . g) = (½g.hDO) / (μk . g) = (½hDO) / μk = 0,5 x 3 m / 0,2 = 7,5 m
Jeszcze bez komentarzy