ENERGIA POTENȚIALĂ: CARACTERISTICI, TIPURI, CALCUL ȘI EXEMPLE - FIZIC - 2025

Energia potențială este energia care corpurile se află sub propria configurație. Când obiectele interacționează, există forțe între ele capabile să facă muncă, iar această capacitate de a lucra, care este stocată în aranjamentul lor, poate fi transpusă în energie.

De exemplu, oamenii au valorificat energia potențială a cascadelor încă din vremuri imemoriale, mai întâi prin filare și apoi la hidrocentrale.

Cascada Niagara: un rezervor imens de energie potențială gravitațională. Sursa: Pixabay.

Pe de altă parte, multe materiale au o capacitate remarcabilă de a lucra deformându-se și revenind apoi la dimensiunea lor inițială. Și în alte circumstanțe, dispunerea încărcării electrice permite stocarea energiei potențiale electrice, de exemplu într-un condensator.

Energia potențială oferă multe posibilități de a fi transformată în alte forme de energie utilizabilă, de aici importanța cunoașterii legilor care o guvernează.

Originea energiei potențiale

Energia potențială a unui obiect își are originea în forțele care îl afectează. Cu toate acestea, energia potențială este o cantitate scalară, în timp ce forțele sunt vectoriale. Prin urmare, pentru a specifica energia potențială, este suficient să indicați valoarea sa numerică și unitățile alese.

O altă calitate importantă este tipul de forță cu care poate fi stocată energia potențială, deoarece nu orice forță are această virtute. Doar forțele conservatoare stochează energie potențială în sistemele pe care acționează.

O forță conservatoare este una pentru care lucrarea nu depinde de calea urmată de obiect, ci doar de punctul de plecare și de sosire. Forța care conduce apa care cade este gravitația, care este o forță conservatoare.

Pe de altă parte, forțele elastice și electrostatice au și această calitate, de aceea există o potențială energie asociată cu ele.

Forțele care nu îndeplinesc cerința menționată anterior sunt denumite non-conservatoare; Exemple de acestea sunt fricțiunea și rezistența la aer.

Tipuri de energie potențială

Întrucât energia potențială provine întotdeauna din forțele conservatoare, precum cele menționate deja, vorbim de energie potențială gravitațională, energie potențială elastică, energie potențială electrostatică, energie potențială nucleară și energie potențială chimică.

Energia potențială gravitațională

Orice obiect are energie potențială în funcție de înălțimea sa de la sol. Acest fapt aparent simplu ilustrează de ce căderea apei este capabilă să conducă turbine și, în cele din urmă, să fie transformată în energie electrică. Exemplul schior prezentat aici arată și relația dintre greutate și înălțime și energia potențială gravitațională.

Un alt exemplu este o mașină de roller coaster, care are energie potențială mai mare atunci când se află la o anumită înălțime deasupra solului. După ce a ajuns la nivelul solului, înălțimea sa este egală cu zero și toată energia potențială a fost transformată în energie cinetică (energie a mișcării).

Animația arată schimbul între energia potențială gravitațională și energia cinetică a unui obiect care se deplasează pe un roller coaster. Suma ambelor energii, numită energie mecanică, este constantă pe toată durata mișcării. Sursa: Wikimedia Commons.

Energia potențială elastică

Obiecte precum arcuri, arcuri, arbalete și benzi de cauciuc sunt capabile să stocheze energia potențială elastică.

Prin trasarea arcului, arcașul lucrează care este stocat ca energie potențială a sistemului săgeată. Când eliberați arcul, această energie este transformată în mișcarea săgeții. Sursa: Pixabay.

Elasticitatea unui corp sau a unui material este descrisă de legea lui Hooke (până la anumite limite), care ne spune că forța capabilă să exercite atunci când este comprimată sau întinsă este proporțională cu deformarea sa.

De exemplu, în cazul unui arc sau arc, acest lucru înseamnă că, cu cât acesta se micșorează sau se întinde, cu atât forța pe care o poate exercita asupra unui obiect așezat la un capăt este mai mare.

Energia potențială electrostatică

Este energia pe care o au sarcinile electrice în virtutea configurației lor. Încărcările electrice cu același semn se resping reciproc, așa că pentru a plasa o pereche de sarcini pozitive sau negative într-o anumită poziție, un agent extern trebuie să lucreze. În caz contrar, tind să se separe.

Această lucrare este stocată în modul în care au fost amplasate încărcăturile. Cu cât sunt mai apropiate taxele aceluiași semn, cu atât va fi mai mare energia potențială a configurației. Contrarul se întâmplă atunci când vine vorba de o mulțime de semne diferite; Pe măsură ce se atrag unii pe alții, cu cât sunt mai apropiați, cu atât mai puțină energie potențială are.

Energia potențială nucleară

Reprezentare aproximativă a atomului de heliu. În nucleu protonii sunt reprezentați în roșu și neutronii în albastru.

Nucleul atomic este format din protoni și neutroni, numiți generic nucleoni. Primele au o sarcină electrică pozitivă, iar cele din urmă neutre.

Întrucât sunt aglomerate într-un spațiu minuscul dincolo de imaginație și știind că sarcinile aceluiași semn se resping reciproc, ne întrebăm cum nucleul atomic rămâne coeziv.

Răspunsul se află în alte forțe, în afară de repulsia electrostatică, caracteristică nucleului, cum ar fi interacțiunea nucleară puternică și interacțiunea nucleară slabă. Acestea sunt forțe foarte puternice, depășind cu mult forța electrostatică.

Energia potențială chimică

Această formă de energie potențială provine din modul în care sunt aranjați atomii și moleculele substanțelor, în funcție de diferitele tipuri de legături chimice.

Când are loc o reacție chimică, această energie poate fi transformată în alte tipuri, de exemplu cu ajutorul unei celule sau a unei baterii electrice.

Exemple de energie potențială

Energia potențială este prezentă în viața de zi cu zi în multe feluri. Observarea efectelor sale este la fel de ușoară ca așezarea oricărui obiect la o anumită înălțime și a fi sigur că se poate rostogoli sau cădea în orice moment.

Iată câteva manifestări ale tipurilor de energie potențială descrise anterior:

-Carusel

-Urele sau bilele care se rostogolesc în jos

-Arcuri și săgeți

-Baterii electrice

-Un ceas cu pendul

Când una dintre sferele de la capete este pusă în mișcare, mișcarea este transmisă celorlalți. Sursa: Pixabay.

-Vorbind pe un leagăn

-Sări pe o trambulină

-Utilizați un stilou retractabil.

Vezi: exemple de energie potențială.

Calculul energiei potențiale

Energia potențială depinde de munca depusă de forță și aceasta, la rândul ei, nu depinde de traiectorie, astfel încât se poate afirma că:

-Dacă A și B sunt două puncte, lucrarea W _AB necesară pentru a merge de la A la B este egală cu munca necesară pentru a merge de la B la A. De aceea: W _AB = W _BA , deci:

-Și dacă două încercări diferite 1 și 2 se încearcă să unească punctele A și B menționate, munca depusă în ambele cazuri este, de asemenea, aceeași:

W ₁ = W ₂ .

În ambele cazuri obiectul experimentează o schimbare a energiei potențiale:

Ei bine, energia potențială a obiectului este definită drept negativul muncii depuse de forța (conservatoare):

Dar, deoarece munca este definită de această integrală:

:

Rețineți că unitățile de energie potențială sunt aceleași cu cele ale muncii. În sistemul internațional SI unitatea este joula, care este prescurtată J și este egală cu 1 newton x metru, de către fizicianul englez James Joule (1818-1889).

Alte unități pentru energie includ cgs erg, lire-forță x picior, BTU (British Thermal Unit), calorii și kilowatt-ore.

Să vedem mai jos câteva cazuri particulare despre cum să calculăm energia potențială.

Calculul energiei potențiale gravitaționale

În vecinătatea suprafeței pământului, forța gravitației se orientează vertical în jos și amploarea acesteia este dată de ecuația Greutate = masa x gravitația.

Notând axa verticală cu litera „y” și alocând pe această direcție vectorul unității j , pozitiv în sus și negativ în jos, schimbarea energiei potențiale atunci când un corp se deplasează de la y = y _A la y = și _B este :

Calcularea energiei potențiale elastice

Legea lui Hooke ne spune că forța este proporțională cu deformarea:

Aici x este tulpina și k este o constantă eigen a arcului, ceea ce indică cât de rigid este. Prin această expresie, energia potențială elastică este calculată, ținând cont că i este vectorul unitar în direcția orizontală:

Calculul energiei potențiale electrostatice

Când aveți o sarcină electrică punctuală Q, produce un câmp electric care percepe o altă sarcină punctuală q și care funcționează asupra acestuia atunci când este mutat dintr-o poziție în alta în mijlocul câmpului. Forța electrostatică între două sarcini punctuale are o direcție radială, simbolizată prin vectorul unității r :

Figura de exemplu 1. Sursa: F. Zapata.

Soluţie

Când blocul este la o înălțime h _A față de podea, acesta are energie potențială gravitațională datorită înălțimii sale. Când este eliberată, această energie potențială este transformată treptat în energie cinetică și, pe măsură ce alunecă în jos, rampa curbă netedă, viteza acesteia crește.

În timpul traseului de la A la B, ecuațiile mișcării rectilinii uniform variate nu pot fi aplicate. Deși gravitația este responsabilă pentru mișcarea blocului, mișcarea pe care o experimentează este mai complexă, deoarece traiectoria nu este rectilinie.

Conservarea energiei pe calea AB

Cu toate acestea, având în vedere că gravitația este o forță conservatoare și nu există frecare pe rampa, puteți utiliza conservarea energiei mecanice pentru a găsi viteza la sfârșitul rampei:

Expresia este simplificată observând că masa apare în fiecare termen. Este eliberat de restul v _A = 0. Iar h _B este la nivelul solului, h _B = 0. Cu aceste simplificări, expresia se reduce la:

Lucrări efectuate prin frecare în secțiunea BC

Acum blocul își începe călătoria în secțiunea brută cu această viteză și se oprește în sfârșit în punctul C. Prin urmare, v _C = 0. Energia mecanică nu mai este conservată, deoarece frecarea este o forță disipativă, care a făcut ca lucrați la blocul dat de:

Această lucrare are un semn negativ, deoarece frecarea cinetică încetinește obiectul, opunându-se mișcării sale. Mărimea frecării cinetice f _k este:

Unde N este magnitudinea forței normale. Forța normală este exercitată de suprafața de pe bloc și, întrucât suprafața este complet orizontală, echilibrează greutatea P = mg, prin urmare mărimea normalului este:

Care duce la:

Munca pe care o face f _k pe bloc este: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Calcularea schimbării energiei mecanice

Această lucrare este echivalentă cu schimbarea energiei mecanice, calculată astfel:

În această ecuație există unii termeni care dispar: K _C = 0, deoarece blocul se oprește la C și U _C = U _B dispar , de asemenea , deoarece aceste puncte sunt la nivelul solului. Simplificarea are ca rezultat:

Masa anulează din nou și D se poate obține astfel:

Referințe

1. Bauer, W. 2011. Fizică pentru inginerie și științe. Volumul 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serie: fizică pentru știință și inginerie. Volumul 2. Dinamica. Editat de Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizică: Principii cu aplicații. 6-a. Sala Ed Prentice.
4. Knight, R. 2017. Fizica oamenilor de știință și inginerie: o abordare strategică. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14. Ed. Volumul 1-2.