Potentsiaalne energia: määratlus, tüübid ja näited
Potentsiaalne energia: selge määratlus, peamised tüübid (gravitatsiooniline, elastne, elektriline) ja praktilised näited mõistmiseks ja õppimiseks.
Potentsiaalne energia on objekti salvestatud või säilitatud energia. Seda vastandatakse sageli kineetilisele energiale.
Füüsikas on potentsiaalne energia energia, mida objekt omab tänu oma asukohale jõuväljas või mida süsteem omab tänu sellele, kuidas selle osad on paigutatud. Levinumad tüübid on näiteks objekti gravitatsioonipotentsiaalenergia, mis sõltub selle vertikaalsest asendist ja massist, venitatud vedru elastne potentsiaalne energia ja elektriväljas oleva laengu elektriline potentsiaalne energia. Energia SI-ühik on džauli (sümbol J).
Potentsiaalne energia on sageli seotud taastuvate jõududega, näiteks vedru või raskusjõuga. Vedru venitamise või massi tõstmise toiming toimub välise jõu abil, mis töötab potentsiaalide jõuvälja vastu. See töö salvestatakse jõuväljas, mida nimetatakse potentsiaalse energiana. Kui väline jõud eemaldatakse, mõjub jõuväli kehale töö tegemiseks, kuna see liigutab keha tagasi algasendisse, vähendades vedru venitamist või põhjustades keha kukkumist. Kui see juhtub, muutub potentsiaalne energia kineetiliseks energiaks. Koguenergia jääb energia säilimise seaduse tõttu samaks.
Füüsikud ütlevad, et potentsiaalne energia on erinevus objekti energia antud asendis ja selle energia vahel võrdluspunktis.
Täpsem selgitus ja põhimõtted
- Nullnivoo sõltuvus: potentsiaalse energia absoluutväärtus sõltub valitud nullpunktist — ainult erinevused potentsiaalselt energias (ΔU) on füüsiliselt mõõdetavad ja olulised.
- Konservatiivsed jõud: potentsiaalne energia on seotud konservatiivsete jõududega (näiteks gravitatsioon, elastne jõud, elektrostaatiline jõud). Konservatiivse jõu töö objekti liikumisel kahe punkti vahel ei sõltu trajektoorist, vaid ainult alg- ja lõpp-punktist.
- Töö ja potentsiaal: konservatiivse jõu töö on seotud potentsiaalse energiaga valemiga W = −ΔU (välisjõu tehtud töö, mis töötab välja vastassuunas jõuvälja tehtud tööga).
Levinumad tüübid ja valemid
- Maapealne gravitatsioonipotentsiaalenergia (ligikaudne): U = m g h, kus m on mass, g gravitatsioonikiirendus ja h kõrgus valitud nullpunktist. See kehtib väikeste kõrguste korral võrreldes Maa raadiusega.
- Gravitatsioonipotentsiaal energia kahe punktmassi vahel (täpsem): U(r) = −G m1 m2 / r, kus G on gravitatsioonikonstant ja r kahe massi vaheline kaugus.
- Elastne (vedru) potentsiaalne energia: U = 1/2 k x^2, kus k on vedru jäikus ja x vedru venitus või kokkusurumise pikkuse muutus tasakaalupunktist.
- Elektriline potentsiaalne energia kahe punktlaengu vahel (Coulombi seadus): U(r) = k q1 q2 / r (tavaliselt võib olla positiivne või negatiivne sõltuvalt laengute märgist). Elektrilise potentsiaali puhul kehtib ka U = q φ, kus φ on potentsiaal (potential).
Stabiilsus ja tasakaalupunktid
Potentsiaali energia sõltuvus ruumilise asendi r suhtes kujutab end sageli potentsiaalkõverana. Punkt, kus U(r) on miinimumis, vastab stabiilsele tasakaalule — väiksed häired põhjustavad jõud, mis viivad süsteemi tagasi tasakaalu. Punkt, kus U(r) on maksimumis, on ebastabiilne tasakaal — väiksed häired viivad süsteemi eemale tasakaalust.
Praktilised näited
- Raamat laual: üles tõstetud raamatu potentsiaalne energia suureneb vastavalt m g h.
- Venitatud vedru või kokkusurutud õhk: vedru kokkusurumisel salvestub energia, mis langeb välja vabaks jätmisel (U = 1/2 k x^2).
- Elektrostaatiline potentsiaal: kaks vastasmärgist laengut tõmbuvad kokku, kui lasta neil vabalt liikuda — nende potentsiaalne energia väheneb ja kineetiline energia suureneb.
- Veetõstmine tammi taha: vee potentsiaalne gravitatsioonienergia võimaldab toota elektrit, kui vesi turbiinide kaudu alla voolab.
Märkus keemilise ja sisemise energia kohta
Kuigi igapäevases kõnepruugis räägitakse sageli "keemilisest potentsiaalsest energiast", on keemilised sidemed süsteemi sisemise energia vorm — seda mõjutavad elektromagnetilised jõud elektronide ja tuumade vahel. Keemiline energia ei ole alati lihtsalt ühe potentsiaalfunktsiooni otseline ekvivalent, kuid aluseks on samad elektromagnetilised interaktsioonid ja potentsiaalide muutused.
Kokkuvõte
Potentsiaalne energia on süsteemis hoitud töövõime, mis sõltub objektide asendist ja konfiguratsioonist jõuväljas. See on mõõdetav džaulites ning mängib keskset rolli energia säilimise, töö tegemise ja mehaanilise liikumise selgitamisel. Mõistmine, kuidas potentsiaalne energia muutub ja mida see kujutab, aitab selgitada paljusid füüsikalisi nähtusi alates lihtsatest mehaanilistest süsteemidest kuni elektriliste ja gravitatsiooniliste välikuva-ni.
Lihtsad näited
Kivi ülesmäge viimine suurendab selle potentsiaalset energiat raskusjõu mõjul. Kummilindi venitamine suurendab selle elastset potentsiaalset energiat, mis on elektrilise potentsiaalse energia üks vorm. Kütuse ja oksüdeerija segu omab keemilist potentsiaalset energiat, mis on teine elektrilise potentsiaalse energia vorm. Ka patareidel on keemiline potentsiaalne energia.
Potentsiaalse energia liigid
On olemas mitmesuguseid potentsiaalset energiatüüpe, mis on seotud teatud tüüpi jõuga.
Gravitatsiooniline potentsiaalne energia
Gravitatsiooniline potentsiaalne energia on objektil, kui kõrgus ja mass on süsteemi teguriks. Gravitatsiooniline potentsiaalne energia põhjustab objektide liikumist üksteise suunas. Kui objekt tõstetakse Maa pinnast teatud kaugusele, on kogetud jõud tingitud massist ja kõrgusest. Töö on defineeritud kui jõud distantsil ja töö on teine sõna energia jaoks. Eseme tõstmisel lisanduv potentsiaalne energia on:
U = F Δ h {\displaystyle U=F\Delta h} 
kus
F {\displaystyle F}
on raskusjõud.
Δ h {\displaystyle \Delta h}
on kõrguse muutus.
või
U = m g h {\displaystyle U=mgh} 
Siin on g = 9,81 m/s 2 {\textstyle g=9,81\ \mathrm {m/s} ^{2}}
on raskuskiirendus.
Gravitatsioonipotentsiaalenergia poolt tehtud kogutöö, kui objekt langeb asendist 1 asendisse 2, on:
Δ W = U 1 - U 2 {\displaystyle \Delta W=U_{1}-U_{2}} 
või
Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\displaystyle \Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}} 
kus
m {\displaystyle m}
on objekti mass.
h 1 {\displaystyle h_{1}}
on esimene positsioon
h 2 {\displaystyle h_{2}}
on teine positsioon
Elektriline potentsiaalne energia
Elektriline potentsiaalne energia tekib nii erinevatel kui ka sarnastel laengutel, kuna nad tõmbavad või tõmbavad teineteist ligi. Laengud võivad olla kas positiivsed (+) või negatiivsed (-), kusjuures vastandlikud laengud tõmbavad ja sarnased laengud tõrjuvad. Kui kaks laengut paigutatakse teineteisest teatud kaugusele, saab laengute vahel salvestatud potentsiaalset energiat arvutada järgmiselt:
U = k Q q r {\displaystyle U={\frac {kQq}{r}}} 
kus
k {\displaystyle k}
on 1/4πє (õhu või vaakumi puhul on see 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\displaystyle 9x10^{9}Nm^{2}/C^{2}}} 
)
Q {\displaystyle Q}
on esimene laeng.
q {\displaystyle q}
on teine laeng.
r {\displaystyle r}
on kaugus üksteisest
Elastne potentsiaalne energia
Elastne potentsiaalne energia tekib siis, kui kummist materjali tõmmatakse või lükatakse kokku. Materjali potentsiaalse energia hulk sõltub tõmmatud või lükatud vahemaast. Mida pikem on tõmmatud vahemaa, seda suurem on materjali elastne potentsiaalne energia. Kui materjali tõmmatakse või lükatakse, saab potentsiaalset energiat arvutada järgmiselt:
U = 1 2 k x 2 {\displaystyle U={\frac {1}{2}}kx^{2}}} 
kus
k {\displaystyle k} on vedrujõu konstant (kui hästi materjal venib või surub kokku).
x {\displaystyle x}
on materjali kaugus algsest asendist.
Seotud leheküljed
- Kineetiline energia
Küsimused ja vastused
K: Mis on potentsiaalne energia?
V: Potentsiaalne energia on objekti salvestatud või varutud energia. Seda vastandatakse sageli kineetilisele energiale ja see on energia, mis on objektil tänu tema asukohale jõuväljas või mis on süsteemil tänu sellele, kuidas selle osad on paigutatud.
K: Millised on mõned üldised potentsiaalse energia liigid?
V: Potentsiaalse energia tavalised liigid on gravitatsiooniline potentsiaalne energia, elastne potentsiaalne energia ja elektriline potentsiaalne energia.
K: Mis on SI-ühik energia mõõtmiseks?
V: SI-ühik energia mõõtmiseks on džauli (sümbol J).
K: Kuidas saab töö salvestatud potentsiaalseks energiaks?
V: Töö salvestub potentsiaalsenergiana, kui seda teostab väline jõud, mis töötab potentsiaalide jõuvälja vastu. See töö salvestatakse seejärel jõuväljas potentsiaalse energiana.
K: Kuidas muutub potentsiaal kineetiliseks?
V: Kui väline jõud, mis töötas antud asendi jõuvälja vastu, eemaldatakse, põhjustab see keha liikumist tagasi algasendisse, vähendades vedru mis tahes venitust või põhjustades keha kukkumist. Sel hetkel muutub igasugune olemasolev potentsiaal kineetiliseks ja kogu kogusumma jääb energia säilimise seaduse tõttu konstantseks.
K: Kuidas füüsikud määratlevad potentsiaalset energiat?
V: Füüsikud ütlevad, et potentsiaalset energiat saab määratleda kui erinevust antud asendis ja võrdlusasendis oleva objekti energia vahel.