Potencialne energijske značilnosti, vrste, izračun in primeri

The potencialna energija To je energija, ki jo imajo telesa pod svojo konfiguracijo. Ko se predmeti medsebojno delujejo, obstajajo sile, ki lahko delajo, in ta sposobnost dela, ki je shranjena v dispoziciji, ki jo imajo, lahko prevede v energijo.

Na primer, človeška bitja so izkoristila potencialno energijo vodnih padcev že od nekdaj, najprej vrtečih se mlinov in nato v hidroelektrarnah.

Niagara Falls: ogromna gravitacijska potencialna energetska rezervat. Vir: Pixabay.

Po drugi strani imajo številni materiali izjemno sposobnost, da delajo z deformacijo in se nato vrnejo v prvotno velikost. In v drugih okoliščinah ureditev električnega naboja omogoča shranjevanje električne potencialne energije, na primer v kondenzatorju.

Potencialna energija ponuja številne možnosti za preoblikovanje v druge uporabne oblike energije, od tod tudi pomen poznavanja zakonov, ki ga urejajo. 

[TOC]

Izvor potencialne energije

Potencialna energija predmeta ima svoj izvor v sili, ki vplivajo nanj. Vendar je potencialna energija skalarna velikost, sile pa so vektorske. Zato je za določitev potencialne energije dovolj, da označi njeno numerično vrednost in izbrane enote.

Druga pomembna kakovost je vrsta sile, s katero je mogoče shraniti potencialno energijo, saj nobena sila nima te vrline. Samo konservativne sile hranijo potencialno energijo v sistemih, v katerih delujejo.

Konzervativna sila je, da delo ni odvisno od poti, ki ji sledi predmet, ampak le od izhodišča in točke prihoda. Sila, ki poganja padec vode, je gravitacija, ki je konzervativna sila.

Po drugi strani imajo tudi elastične in elektrostatične sile to kakovost, zato je z njimi povezana potencialna energija.

Sile, ki ne izpolnjujejo prej omenjene zahteve, se imenujejo nekonzervativne; Primer jih je v trenju in zračnem odpornosti.

Vrste potencialne energije

Ker potencialna energija vedno izhaja iz konzervativnih sil, kot so že omenjene, se govori o gravitacijski potencialni energiji, elastični potencialni energiji, elektrostatični potencialni energiji, energiji jedrskega potenciala in potencialne energijske energije energije.

Gravitacijska potencialna energija

Vsak predmet ima potencialno energijo, ki temelji na višini glede na tla. To preprosto dejstvo na videz ponazarja, ker je slap sposoben povečati turbine in se na koncu spremeni v elektriko. Primer prikazanih smučarjev kaže tudi na razmerje med težo in višino z gravitacijsko potencialno energijo.

Drug primer je avtomobil z rollerskim gorskim avtomobilom, ki ima večjo potencialno energijo, ko je na določeni višini na tleh. Ko doseže raven tal, je njegova višina enaka nič in vsa potencialna energija se je spremenila v kinetično energijo (gibalna energija).

Animacija prikazuje izmenjavo med gravitacijsko potencialno energijo in kinetično energijo, predmeta, ki se premika na valjčnem podstavku. Vsota obeh energij, imenovana mehanska energija, je konstantna v celotnem gibanju. Vir: Wikimedia Commons.

Elastična potencialna energija

Predmeti, kot so vzmeti, loki, samostreli in lige, lahko shranijo elastično potencialno energijo.

Ko se lok napenja, vratar opravi delo, ki je shranjeno kot potencialna energija sistema ARC-FET. Ko se lok sprosti, se ta energija spremeni v gibanje puščice. Vir: Pixabay.

Elastičnost telesa ali materiala opisuje Hookejev zakon (do določenih meja), ki nam pove, da je sila, ki je sposobna, da se stisne ali raztegne, sorazmerna z njegovo deformacijo.

Vam lahko služi: feromagnetizem: materiali, aplikacije in primeri

Na primer v primeru pomladi ali pomladi to pomeni, da se bolj krči ali razteza, večja je sila, ki jo je mogoče izvajati na predmetu, nameščenem na enem koncu.

Elektrostatična potencialna energija

To je energija, ki jo imajo električni naboji pod svojo konfiguracijo. Električni naboji istega znaka so odvrnjeni, zato mora zunanje agent v določenem položaju postaviti nekaj pozitivnih obremenitev - ali negativnega - delovati. V nasprotnem primeru bi se nagibali k ločitvi.

To delo je shranjeno na način, kako so bile tovora nameščene. Čim bližje so obremenitve istega znaka, večja je potencialna energija, ki jo bo imela konfiguracija. Zgodi se nasprotno, ko gre za različne znake; Ko privlačijo, bližje so, manj potencialne energije imajo.

Energija jedrskega potenciala

Približni atom helija. V jedru so protoni predstavljeni v rdeči barvi in ​​nevtroni v modri barvi.

Atomsko jedro je sestavljeno protoni in nevtroni, ki jih generično imenujejo Nukleoni. Prvi imajo pozitiven električni naboj, slednji pa so nevtralni.

Ker so aglomerirani v majhnem prostoru, ki presega domišljijo in vedo, da so obremenitve istega znaka odvrnjene, se je vredno vprašati, kako atomsko jedro ostane kohezivno.

Odgovor je v drugih silah poleg elektrostatičnega odbijanja, značilnega za jedro, kot sta močna jedrska interakcija in šibka jedrska interakcija. To so zelo intenzivne sile, ki daleč presegajo elektrostatično silo.

Kemična potencialna energija

Ta oblika potencialne energije izvira iz tega, kako so na voljo molekule atomov in snovi, glede na različne vrste kemičnih vezi.

Ko je dana kemična reakcija, lahko to energijo pretvorimo v druge vrste, na primer z električno baterijo ali baterijo.

Primeri potencialne energije

Potencialna energija je prisotna v vsakdanjem življenju v mnogih vidikih. Opazovanje njegovih učinkov je tako enostavno kot postaviti kateri koli predmet na določeno višino in imeti gotovost, da se lahko kadar koli zavrti ali pade.

Tu je nekaj manifestacij predhodno opisanih potencialnih vrst energije:

-Vrtiljak

-Avtomobili ali kroglice, ki se valjajo navzdol

-Loki in puščice

-Električne baterije

-Nihalo ure

Ko je ena od skrajnih sfer v gibanju, se gibanje prenaša na druge. Vir: Pixabay.

-Zamah v zamahu

-Razpršeno

-Uporabite izvlečno pero.

Glej: Primeri potencialne energije.

Potencialni izračun energije

Potencialna energija je odvisna od dela, ki ustvarja moč, in to posledično ni odvisno od poti, potem je mogoče potrditi, da:

-Če sta A in B dve točki, delo W_Ab  potrebno iti od A do B, je enako potrebnemu delu od B do A. Zato: W_Ab = W_Ba, tako:

W_Ab + W_Ba = 0

-In če se testirata dve različni poti 1 in 2, da se pridružita tem točkam A in B, je tudi delo v obeh primerih enako:

 W₁ = W₂.

Vsekakor objekt doživi spremembo potencialne energije:

Sprememba = končna potencialna energija - začetna potencialna energija

ΔU = u_finale - Ali_začetno = U_B - Ali_Do

No, potencialna energija predmeta je opredeljena kot negativna dela s silam (konzervativno):

ΔU = -W_Ab

Ker pa je delo opredeljeno s tem integralom:

Vam lahko služi: 31 vrst sile v fiziki in njihove značilnosti

Kje F in dr (s krepko ali puščico) so vektorji moči in premikov. Glede na to je sprememba potencialne energije negativna od tega integrala:

Za konzervativne sile, kot je opisano, se integral enostavno izračuna. 

Upoštevajte, da so enote potencialne energije enake kot pri delu. V mednarodnem sistemu, če je enota Joule, ki je skrajšana in enakovredna 1 Newton X Metro, angleški fizik James Joule (1818-1889).

Druge enote za energijo vključujejo ergio v sistemu CGS, funt-virko X Foot, BTU (Britanska toplotna enota), kalorije in kilovat-hora.

Poglejmo nekaj posebnih primerov, kako izračunati potencialno energijo.

Izračun gravitacijske potencialne energije

V bližini zemeljske površine silo gravitacije točke navpično navzdol in njeno velikost daje enačba Teža = masna x gravitacija.

Označevanje navpične osi s črko "y" in dodeljevanje tega naslova vektor enote J, pozitivno in negativno, sprememba potencialne energije, ko se telo premakne y = y_Do do y = y_B je:

Kje m predstavlja telo telesa in g Vrednost pospeška gravitacije. Če ste izbrani in_Do = 0 Kot referenčna raven na terenu, v kateri je u pritrjen kot 0, imate:

U (y) = mgy

Izračun elastične potencialne energije

Hookov zakon nam pove, da je sila sorazmerna z deformacijo:

F = -k.x

Tukaj x To je deformacija in k To je konstanta pomladi, ki kaže, kako toga je. S tem izrazom se izračuna elastična potencialna energija, ob upoštevanju tega Yo Je vektor enote v vodoravni smeri:

Pri izbiri Ali_Do = 0 v  x_Do, Prejšnji izraz je funkcija U (x) Za potencialno energijo pomladi:

U (x) = ½ kx²

Izračun elektrostatičnega potenciala

Ko imate natančen električni naboj, proizvede električno polje, ki zaznava še eno točno obremenitev q, In kaj deluje na njem, ko se premika iz enega položaja na drugega na sredini polja. Elektrostatična sila med dvema specifičnimi obremenitvami ima radialno smer, simbolizirano skozi enoto vektorja r:

 Tukaj k_in To je elektrostatična ali konstantna konstanta Coulomba, katere vrednost je k_in ≈ 9 x 10⁹  N.m² /C² V mednarodnih sistemskih enotah. Sledi, da:

 Izbira u = 0, ko je r_Do → ∞, ostane:

Rešene vaje

- Vaja 1: vzmet, ki se razteza

Pomlad, katere stalnica je k = 10.0 n/cm se sprva razteza 1.00 cm od ravnotežne dolžine. Zahteva se za izračun dodatne energije, potrebne za raztezanje pomladi do 5.00 cm, ki presega ravnotežno dolžino.

Rešitev 

Neposredno zamenjava x = 1.00 cm v enačbi za u (x).CM, vendar morajo centimetri postati merilniki, da pridobijo energijo v joulesu:

U (1) = 0.5 x 10.0 n/cm x (1.00 cm)² = 5 n. cm = 0.05 J; U (5) = 0.5 x 10.0 n/cm x (5.00 cm)² = 125 n.cm = 1.25. J

Zato je razlika v iskani energiji 1.25 - 0.05 j = 1.20 j.

- Vaja 2: Konzervativne in nekonservativne sile

Majhen blok od točke A se sprosti iz počitka, tako da zdrsne vzdolž ukrivljene rampe brez trenja do točke B. Od tam vstopi v dolgo grobo vodoravno površino, z dinamičnim koeficientom trenja μ_k = 0.2. Poiščite na kakšni razdalji od točke B se ustavi, ob predpostavki, da je h_Do= 3m.

Vam lahko služi: spiralna galaksija Barrada: tvorba, evolucija, značilnostiSlika na primer 1. Vir: f. Zapata.

Rešitev 

Ko je blok na višini h_Do Glede tal ima gravitacijsko potencialno energijo zaradi svoje višine. Po prepuščanju ta potencialna energija postopoma postane kinetična energija in ko zdrsne skozi gladko ukrivljeno rampo, se njegova hitrost povečuje.

Med potjo od A do B enačb enakomerno raznolikega pravokotnega gibanja ni mogoče uporabiti. Medtem ko je gravitacija odgovorna za gibanje bloka, je gibanje, ki ga ta doživlja, bolj zapleteno, saj pot ni pravokotna.

Ohranjanje energije na AB

Ker pa je gravitacija konzervativna sila in v klančini ni trenja, lahko ohranimo mehansko energijo, da najdete hitrost, ko doseže konec rampe:

Mehanska energija pri A = mehanska energija v B

m.g.h_Do + ½ m.v_Do² = m.g.h_B + ½ m.v_B²

Izraz je poenostavljen tako, da opazimo, da se masa pojavi v vsakem mandatu. Je izpuščen iz Resta V_Do = 0. In h_B Je na tleh, h_B = 0. S temi poenostavitvami se izraz zmanjša na:

v_B² = Gh_Do

Delo, opravljeno z drgnjenjem v oddelku pred našim štetjem

Zdaj blok začne svojo pot v grobem odseku s to hitrostjo in se končno ustavi v točki C. Zato v_C = 0. Mehanska energija ni več ohranjena, saj je trenje disipativna sila, ki je opravila delo na bloku, ki ga je dal:

W_dotik = -RUE TRENJA X TRAKA

To delo ima negativen znak, saj se kinetično trenje upočasni na predmet in nasprotuje njenemu gibanju. Velikost kinetičnega trenja F_k  je:

F_k = μ_k .N

Kjer je n obseg normalne sile. Običajna sila ima površina na bloku, in ker je površina popolnoma vodoravna, saj uravnoteži težo P = mg, Zato je velikost običajne:

N = mg

Kaj vodi do:

F_k = μ_k .mg

Delo to F_k Naredi na bloku:: W_k = - f_k .D =- μ_k .mg.D.

Izračun spremembe mehanske energije

To delo je enako spremembi mehanske energije, izračunano tako:

Mehanska energija v C - mehanska energija pri B =

ΔE_m = (U_C +K_C)- (ali_B + K_B) = - μ_k .mg.D

V tej enačbi je nekaj izrazov, ki so razveljavljeni: K_C = 0, ker se blok ustavi v C in je tudi razveljavljen U_C = U_B, ker so te točke na ravni tal. Poenostavitev rezultatov v:

- K_B = - μ_k .m.g.D

½ m.v_B² = μ_k .m.g.D

Testo se ponovno prekliče in ga je mogoče dobiti na naslednji način:

D = (½ V_B²)/(μ_k . G) = (½ V_B²)/(μ_k . g) = (½g.h_Do)/(μ_k . g) = (½h_Do)/μ_k = 0.5 x 3 m / 0.2 = 7.5m

Reference

1. Bauer, w. 2011. Fizika za inženiring in znanosti. Zvezek 1. MC Graw Hill.
2. Figueroa, d. (2005). Serija: Fizika za znanost in inženiring. Zvezek 2. Dinamično. Uredil Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, d.  2006. Fizika: načela z aplikacijami. 6. Ed Prentice Hall.
4. Vitez, r.  2017. Fizika za znanstvenike in inženiring: strateški pristop. Pearson. 
5. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. Ed. Zvezek 1-2.