Potential Energy: What Is It & Why It Matters (w /Formula & Eksempler)

Alle fysikstuderende har potentiale - potentiel energi, det vil sige. Men de, der tager sig tid til at bestemme, hvad det betyder med hensyn til fysik, vil have mere potentiale til at påvirke verden omkring dem end dem, der ikke gør det. I det mindste vil de være i stand til at svare bevidst til en irriterende voksen med en internet meme-quip: "Jeg er ikke doven, jeg overfylder med potentiel energi."
Hvad er potentiel energi?

Begrebet potentiel energi kan virke forvirrende i starten. Men kort sagt kan du tænke på potentiel energi som lagret energi. Det har potentiale
at omdanne til bevægelse og få noget til at ske, som et batteri, der endnu ikke er tilsluttet, eller en plade med spaghetti, som en løber er ved at spise natten før løbet.

Potentiel energi er en af tre brede kategorier af energi, der findes i universet. De to andre er kinetisk energi, som er bevægelsesenergi, og termisk energi, som er en speciel, ikke genanvendelig type kinetisk energi.

Uden potentiel energi kunne der ikke spares energi til senere brug. Heldigvis findes der masser af potentiel energi, og det konverteres konstant frem og tilbage mellem sig selv og kinetisk energi, hvilket får ting til at ske.

Med hver transformation transformeres nogle potentielle og kinetiske energi til termisk energi, også kendt som varme. Til sidst konverteres al universets energi til termisk energi, og det vil opleve "varmedød", når der ikke findes mere potentiel energi. Men indtil den langt væk fremtidige tid, vil potentiel energi holde mulighederne for handling åben.

SI-enheden for potentiel energi, og enhver for energi for den sags skyld, er joule, hvor 1 joule \u003d 1 (newton) (meter).
Typer og eksempler på potentiel energi

Der er mange typer potentiel energi. Blandt disse energiformer er:

Mekanisk potentiel energi: Også kendt som gravitationspotentialenergi, eller GPE, refererer dette til energi, der er gemt af et objekts position i forhold til et gravitationsfelt, såsom den nær jordens overflade.

For eksempel har en bog, der sidder øverst på en hylde, potentialet til at falde ned på grund af tyngdekraften. Jo højere det er i forhold til jorden - og dermed i forhold til Jorden, kilden til tyngdefeltet - jo længere et fald har det potentiale til at krydse. Mere om dette senere.

Kemisk potentiel energi: Energi, der opbevares i molekylære bindinger, er kemisk energi. Det kan frigives og omdannes til kinetisk energi ved at bryde bindinger. Jo flere bindinger i et molekyle er, jo mere potentiel energi indeholder det.

For eksempel, når man spiser mad, nedbryder processen med fordøjelse molekyler af fedt, proteiner, kulhydrater eller aminosyrer, så kroppen kan Brug den energi til at bevæge sig. Fordi fedtstoffer er den længste af de molekyler med flest bindinger mellem atomer, opbevarer de mest energi.

Tilsvarende indeholder logfilerne, der bruges i et bål, kemisk potentiel energi, der frigøres, når de brændes, og bindingerne mellem molekyler i træet er brudt. Alt, hvad der kræver en kemisk reaktion for at "gå" - inklusive brug af batterier eller forbrænding af benzin i en bil - indeholder kemisk potentiel energi.

Elastisk potentiel energi: Denne form for potentiel energi er den energi, der er lagret i deformationen af en Når et objekt strækkes eller komprimeres fra sin oprindelige form - siger et gummibånd trukket ud eller en fjeder holdes i en stram spole - har det potentialet til at springe eller hoppe tilbage, når det frigives. Eller trykkes på en squishy sofapude med indtryk af en person, der sidder på den, så når de står, stiger aftrykket langsomt tilbage, indtil sofaen ser ud, som den gjorde før de sad.

Atomenergi potentiel energi: A masser af potentiel energi lagres af atomkraftene, der holder atomerne sammen. For eksempel den stærke atomkraft inde i en kerne, der holder protonerne og neutronerne på plads. Dette er grunden til, at det er så svært at opdele atomer, en proces, der kun sker i atomreaktorer, partikelacceleratorer, stjernecentrene eller andre højenergisituationer.

Ikke at forveksle med kemisk potentiel energi, nukleart potentiale energi lagres i individuelle atomer. Som deres navn siger, repræsenterer atombomber en af menneskehedens mest aggressive anvendelser af nuklear potentiel energi.

Elektrisk potentiel energi: Denne energi opbevares ved at holde elektriske ladninger i en bestemt konfiguration. For eksempel, når en sweater, der har en masse opbyggede negative ladninger, bringes tæt på et positivt eller neutralt objekt, har det potentialet til at forårsage bevægelse ved at tiltrække positive ladninger og afvise andre negative ladninger.

Enhver enkelt ladet partikel, der holdes på plads i et elektrisk felt, har også elektrisk potentiel energi. Dette eksempel er analogt med gravitationspotentialenergi, idet ladningens position i forhold til det elektriske felt er det, der bestemmer dens mængde potentiel energi, ligesom et objekts position i forhold til gravitationsfeltet bestemmer dens GPE.
Gravitational Potential Energy Formula

Gravitationspotentialenergi, eller GPE, er en af de få energityper, som gymnasieelever typisk udfører beregninger for (andre er lineær og roterende kinetisk energi). Det er resultatet af tyngdekraften. De variabler, der påvirker hvor meget GPE et objekt har, er masse m,
accelerationen på grund af tyngdekraften g
og højden h.

GPE \u003d mgh

Hvor GPE måles i joules (J), masse i kg (kg), acceleration på grund af tyngdekraft i meter per sekund pr. sekund (m /s ^{2) og højde i meter (m ).}

Bemærk, at g
på Jorden behandles som altid lig med 9,8 m /s ^{2. På andre steder, hvor Jorden ikke er den lokale kilde til tyngdeacceleration, såsom på andre planeter, har g
andre værdier.}

Formlen for GPE indebærer, at jo mere massivt et objekt er eller jo højere den er placeret, jo mere potentiel energi indeholder den. Dette forklarer igen, hvorfor en krone, der falder ned fra toppen af en bygning, vil gå meget hurtigere i bunden end en, der faldt fra en persons lomme lige over fortovet. (Dette er også en illustration af energibesparelse: når objektet falder, falder dets potentielle energi, så dets kinetiske energi skal stige med den samme mængde for at den samlede energi forbliver konstant.)

Start i en højere højde betyder, at øre accelererer nedad over en længere afstand, hvilket resulterer i en hurtigere hastighed ved afslutningen af turen. Eller, for at fortsætte med at bevæge sig over en længere afstand, skal pennen på taget være startet med mere potentiel energi, som GPE-formlen kvantificerer.
GPE Eksempel

Placer følgende objekter fra mest til mindst tyngdepotentiale energi: