» » » » » » Energia potențială

Energia potențială

postat în: Mecanica 0

Arcaș (În cazul unui arc și a săgeții, atunci când arcașul îl folosește, trage de coardă înapoi, o parte din energia chimică a corpului arcașului se transformă în energie potențială elastică în ramurile îndoite ale arcului. Când coarda este eliberată, forța de arcuire a corzii acționează asupra săgeții. Energia potențială a arcului se transformă în energia cinetică a săgeții când aceasta începe să zboare.)

În fizică, energia potențială este energia posedată de un obiect din cauza poziției sale față de alte obiecte, tensiunii interne proprii, sarcinii sale electrice sau alți factori.

Tipurile comune de energie potențială includ energia potențială gravitațională a unui obiect care depinde de masa și distanța sa de centrul de masă al unui alt obiect, energia potențială elastică a unui arc întins și energia electrică potențială a unei sarcini electrice într-un câmp electric. Unitatea de energie în Sistemul Internațional de Unități (SI) este joule, care are simbolul J.

Termenul de energie potențială a fost introdus de inginerul scoțian din secolul al XIX-lea și fizician William Rankine, deși are legături cu conceptul de potențialitate al filosofului grec Aristotel. Energia potențială este asociată cu forțele care acționează asupra unui corp într-un mod în care lucrul mecanic total efectuat de aceste forțe asupra corpului depinde numai de pozițiile inițiale și finale ale corpului în spațiu. Aceste forțe, numite forțe conservatoare, pot fi reprezentate în orice punct al spațiului prin vectori exprimați ca gradienți ai unei anumite funcții scalare numită potențial.

Deoarece lucrul mecanic al forțelor potențiale care acționează asupra unui corp care se deplasează este determinată numai de pozițiile inițială și finală ale corpului și nu depinde de traiectoria lui, există o funcție cunoscută ca energie potențială sau potențial care poate evaluați la cele două poziții pentru a determina această activitate.

Prezentare generală

Există diferite tipuri de energie potențială, fiecare asociată cu un anumit tip de forță. De exemplu, lucrul mecanic unei forțe elastice se numește energie potențială elastică; lucrul mecanic al forței gravitaționale se numește energie potențială gravitațională; lucrul mecanic al forței Coulomb se numește energie potențială electrică; lucrul mecanic al forței nucleare puternice sau a forței nucleare slabe care acționează asupra sarcinii barionice se numește energie potențială nucleară; lucrul mecanic al forțelor intermoleculare se numește energie potențială intermoleculară. Energia potențială chimică, cum ar fi energia stocată în combustibili fosili, este lucrul mecanic al forței Coulomb în timpul rearanjării pozițiilor reciproce ale electronilor și nucleelor ​​în atomi și molecule. Energia termică are de obicei două componente: energia cinetică a mișcărilor aleatorii ale particulelor și energia potențială a pozițiilor lor reciproce.

Forțele derivabile de la un potențial se numesc și forțe conservatoare. Lucrul mecanic efectuat de o forță conservatoare este

W = – ΔU

unde ΔU este variația energiei potențiale asociate forței. Semnul negativ prevede convenția că lucrul mecanic efectuat împotriva unui câmp de forță crește energia potențială, în timp ce lucrul mecanic efectuat de câmpul de forță scade energia potențială. Notațiile comune pentru energie potențială sunt U, V, de asemenea Ep.

Energia potențială este energia datorită poziției unui obiect față de alte obiecte. Energia potențială este adesea asociată cu refacerea forțelor, cum ar fi un arc sau forța gravitației. Acțiunea de întindere a unui arc sau de ridicare a unei mase se realizează de o forță exterioară care acționează împotriva câmpului de forță al potențialului. Acest lucru mecanic este stocat în câmpul de forță, despre care se spune că este stocat ca energie potențială. În cazul în care forța exterioară este îndepărtată, câmpul de forță acționează asupra corpului pentru a efectua lucru mecanic, în timp ce deplasează corpul înapoi în poziția inițială, reducând întinderea arcului sau cauzând caderea unui corp.

Să presupunem că o minge are masa m, și este la o înălțime h. Dacă accelerarea căderii libere este g, greutatea mingii este de mg. Deci, lucrul mecanic total sau energia este forța x deplasarea = mg × h = mgh

Ep = mgh

Definiția mai formală este că energia potențială este diferența energetică dintre energia unui obiect într-o poziție dată și energia sa într-o poziție de referință.

Energia potențială gravitațională

Energia gravitațională este energia potențială asociată forței gravitaționale, deoarece este necesar un lucru mecanic pentru a ridica obiecte împotriva gravitației Pământului. Energia potențială datorată pozițiilor finale de după ridicare se numește energie potențială gravitațională și este evidențiată de apa într-un rezervor ridicat sau menținută în spatele unui baraj. Dacă un obiect cade dintr-un punct într-un alt punct din interiorul unui câmp gravitațional, forța gravitației va efectua un lucru mecanic pozitiv asupra obiectului, iar energia potențială gravitațională va scădea cu aceeași cantitate.

Sistemul solar (Forța gravitațională menține planetele în orbită în jurul Soarelui)

Luați în considerare o carte plasată pe o masă. Pe măsură ce cartea este ridicată de la podea, pe masă, o forță externă acționează împotriva forței gravitaționale. Dacă cartea cade la pământ, energia „de cădere” pe care o primește cartea este asigurată de forța gravitațională. Astfel, dacă această carte cade de pe masă, energia potențială va accelera masa cărții și se transformă în energie cinetică. Când cartea atinge podeaua, această energie cinetică este transformată în căldură, deformare și sunet prin impact.

Factorii care afectează energia potențială gravitațională a unui obiect sunt înălțimea sa față de un punct de referință, masa și intensitatea câmpului gravitațional în care se află. Astfel, o carte situată pe o masă are o energie potențială gravitațională mai mică decât aceeași carte de deasupra unui dulap inalt, și are o energie potențială gravitațională mai mică decat o carte mai grea situata pe aceeași masă. Un obiect la o anumită înălțime deasupra suprafeței Lunii are o energie potențială gravitațională mai mică decât la aceeași înălțime deasupra suprafeței Pământului, deoarece gravitația Lunii este mai mică. Rețineți că „înălțimea” în sensul comun al termenului nu poate fi folosită pentru calculele energiei potențiale gravitaționale atunci când gravitația nu este presupusă a fi o constantă.

Energia potențială chimică

Energia potențială chimică este o formă de energie potențială legată de aranjamentul structural al atomilor sau moleculelor. Acest aranjament poate fi rezultatul legăturilor chimice dintr-o moleculă sau altfel. Energia chimică a unei substanțe chimice poate fi transformată în alte forme de energie printr-o reacție chimică. De exemplu, atunci când un combustibil este ars, energia chimică este transformată în căldură, la fel ca și în cazul digestiei alimentelor metabolizate într-un organism biologic. Plantele verzi transformă energia solară în energie chimică prin procesul cunoscut sub numele de fotosinteză, iar energia electrică poate fi transformată în energie chimică prin reacții electrochimice.

Termenul similar de potențial chimic este folosit pentru a indica potențialul unei substanțe de a suferi o schimbare de configurație, fie sub forma unei reacții chimice, a transportului spațial, a schimbului de particule cu un rezervor etc.

Energia potențială electrică

Un obiect poate avea energie potențială datorită sarcinii sale electrice și a mai multor forțe legate de prezența lor. Există două tipuri principale de astfel de energie potențială: energia potențială electrostatică, energia potențială electrodinamică (denumită uneori și energie potențială magnetică).

Energia potențială nucleară

Energia potențială nucleară este energia potențială a particulelor din interiorul unui nucleu atomic. Particulele nucleare sunt legate între ele de forța nucleară puternică. Forțele nucleare slabe oferă energia potențială pentru anumite tipuri de dezintegrare radioactivă, cum ar fi dezintegrarea beta.

Particulele nucleare precum protonii și neutronii nu sunt distruse în procesele de fisiune și de fuziune, dar sumele lor pot avea mai puțină masă decât dacă ar fi libere individual, caz în care această diferență de masă poate fi eliberată sub formă de căldură și radiație în reacțiile nucleare. Energia din Soare este un exemplu al acestei forme de conversie a energiei. În Soare, procesul de fuziune cu hidrogen convertește aproximativ 4 milioane de tone de materie solară pe secundă în energie electromagnetică, care este radiată în spațiu.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *