POTENSYAL NA ENERHIYA: MGA KATANGIAN, URI, PAGKALKULA AT MGA HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Ang potensyal na enerhiya ay ang enerhiya na katawan sa ilalim ng sarili nitong pagsasaayos. Kapag nakikipag-ugnay ang mga bagay, may mga puwersa sa pagitan ng mga ito na may kakayahang gumawa ng trabaho, at ang kakayahang gumawa ng trabaho, na nakaimbak sa kanilang pag-aayos, ay maaaring isalin sa enerhiya.

Halimbawa, ang mga tao ay gagamitin ang potensyal na enerhiya ng mga talon mula pa noong una, una sa pamamagitan ng pag-ikot ng mga mills at pagkatapos ay sa mga halaman ng hydroelectric.

Niagara Falls: isang malaking reservoir ng potensyal na potensyal na enerhiya. Pinagmulan: Pixabay.

Sa kabilang banda, maraming mga materyales ang may kapansin-pansin na kakayahang gumawa ng trabaho sa pamamagitan ng deforming at pagkatapos ay bumalik sa kanilang orihinal na laki. At sa iba pang mga pangyayari, ang pag-aayos ng singil ng elektrikal ay nagbibigay-daan sa pag-iimbak ng potensyal na enerhiya na potensyal, tulad ng sa isang kapasitor.

Ang potensyal na enerhiya ay nag-aalok ng maraming mga posibilidad na mabago sa iba pang mga anyo ng magagamit na enerhiya, samakatuwid ang kahalagahan ng pag-alam ng mga batas na namamahala dito.

Pinagmulan ng potensyal na enerhiya

Ang potensyal na enerhiya ng isang bagay ay nagmula sa mga puwersa na nakakaapekto dito. Gayunpaman, ang potensyal na enerhiya ay isang dami ng scalar, habang ang mga puwersa ay vector. Samakatuwid, upang tukuyin ang potensyal na enerhiya, sapat na upang ipahiwatig ang halaga ng numero at ang napiling mga yunit.

Ang isa pang mahalagang kalidad ay ang uri ng puwersa na maaaring maiimbak ng potensyal na enerhiya, dahil hindi lahat ng puwersa ay may kagalingan na ito. Ang mga puwersang konserbatibo lamang ang nag-iimbak ng potensyal na enerhiya sa mga sistema kung saan sila kumikilos.

Ang isang konserbatibong puwersa ay isa para sa kung saan ang gawain ay hindi nakasalalay sa landas na sinusundan ng bagay, ngunit lamang sa panimulang punto at pagdating ng punto. Ang puwersa na nagtutulak ng bumabagsak na tubig ay gravity, na kung saan ay isang puwersa ng konserbatibo.

Sa kabilang banda, ang mga nababanat at electrostatic na pwersa ay mayroon ding kalidad na ito, samakatuwid mayroong potensyal na enerhiya na nauugnay sa kanila.

Ang mga lakas na hindi nakakatugon sa nabanggit na kinakailangan ay tinatawag na di-konserbatibo; Ang mga halimbawa nito ay nasa alitan at paglaban ng hangin.

Mga uri ng potensyal na enerhiya

Yamang ang potensyal na enerhiya ay palaging nagmumula sa mga konserbatibong puwersa tulad ng nabanggit na, nagsasalita kami ng potensyal na potensyal na enerhiya, nababanat na potensyal na enerhiya, electrostatic potensyal na enerhiya, potensyal na potensyal ng nuklear, at potensyal na enerhiya na potensyal.

Gravitational potensyal na enerhiya

Ang anumang bagay ay may potensyal na enerhiya bilang isang function ng taas nito mula sa lupa. Ang tila simpleng katotohanang ito ay naglalarawan kung bakit ang pagbagsak ng tubig ay may kakayahang magmaneho ng mga turbin at kalaunan ay nababago sa elektrikal na enerhiya. Ang halimbawa ng skier na ipinakita dito ay nagpapakita din ng kaugnayan ng timbang at taas sa gravitational potensyal na enerhiya.

Ang isa pang halimbawa ay isang roller coaster car, na may mas mataas na potensyal na enerhiya kapag nasa isang tiyak na taas sa itaas ng lupa. Kapag naabot na nito ang antas ng lupa, ang taas nito ay katumbas ng zero at lahat ng potensyal na enerhiya ay nabago sa kinetic energy (enerhiya ng paggalaw).

Ipinapakita ng animation ang palitan sa pagitan ng potensyal na potensyal na enerhiya at enerhiya ng kinetic, ng isang bagay na gumagalaw sa isang roller coaster. Ang kabuuan ng parehong enerhiya, na tinatawag na mekanikal na enerhiya, ay palaging sa buong paggalaw. Pinagmulan: Wikimedia Commons.

Ang nababanat na potensyal na enerhiya

Ang mga bagay tulad ng bukal, busog, crossbows, at goma band ay may kakayahang mag-imbak ng nababanat na potensyal na enerhiya.

Sa pamamagitan ng pagguhit ng bow, ang mamamana ay gumagawa ng trabaho na nakaimbak bilang potensyal na enerhiya ng sistema ng bow-arrow. Kapag pinakawalan mo ang bow, ang enerhiya na ito ay nabago sa paggalaw ng arrow. Pinagmulan: Pixabay.

Ang pagkalastiko ng isang katawan o isang materyal ay inilarawan sa pamamagitan ng batas ni Hooke (hanggang sa ilang mga limitasyon), na nagsasabi sa amin na ang puwersa na may kakayahang magawa kapag ito ay nai-compress o nakaunat ay proporsyonal sa pagpapapangit nito.

Halimbawa sa kaso ng isang tagsibol o tagsibol, nangangahulugan ito na mas maraming pag-urong o pag-inat nito, mas malaki ang puwersa na maipapataw sa isang bagay na inilagay sa isang dulo.

Ang potensyal na enerhiya ng elektrostiko

Ito ang enerhiya na mayroon ng mga singil sa kuryente dahil sa kanilang pagsasaayos. Ang mga singil ng kuryente ng parehong pag-sign ay nagtatanggal sa bawat isa, upang maglagay ng isang pares ng positibo o negatibong mga singil sa isang tiyak na posisyon, dapat gawin ng isang panlabas na ahente. Kung hindi man ay may posibilidad silang maghiwalay.

Ang gawaing ito ay nakaimbak sa paraang matatagpuan ang mga naglo-load. Ang mas malapit sa mga singil ng parehong pag-sign ay, ang mas mataas na potensyal na enerhiya ay magkakaroon ng pagsasaayos. Ang kabaligtaran ay nangyayari pagdating sa iba't ibang mga palatandaan; Habang umaakit sila sa isa't isa, mas malapit sila, mas mababa ang potensyal na enerhiya na mayroon sila.

Ang potensyal na enerhiya ng nukleyar

Tinatayang representasyon ng Helium atom. Sa nucleus ang mga proton ay kinakatawan ng pula at ang mga neutron na asul.

Ang atomic nucleus ay binubuo ng mga proton at neutron, na karaniwang tinatawag na mga nucleon. Ang dating ay may positibong singil sa koryente at ang huli ay neutral.

Dahil sila ay pinagsama sa isang maliit na puwang na lampas sa imahinasyon, at alam na ang mga singil ng parehong pag-sign ay nagtatanggal sa bawat isa, nagtataka ang isa kung paano nananatiling cohesive ang atomic.

Ang sagot ay namamalagi sa iba pang mga puwersa bukod sa electrostatic repulsion, katangian ng nucleus, tulad ng malakas na pakikipag-ugnay sa nuklear at mahina na pakikipag-ugnay ng nuklear. Ang mga ito ay napakalakas na puwersa, na higit sa lakas ng electrostatic force.

Ang potensyal na enerhiya ng kemikal

Ang form na ito ng potensyal na enerhiya ay nagmula sa kung paano nakaayos ang mga atoms at molekula ng mga sangkap, ayon sa iba't ibang uri ng mga bono ng kemikal.

Kapag naganap ang isang reaksyon ng kemikal, ang enerhiya na ito ay maaaring mabago sa iba pang mga uri, halimbawa sa pamamagitan ng isang cell o electric baterya.

Mga halimbawa ng potensyal na enerhiya

Ang potensyal na enerhiya ay naroroon sa pang-araw-araw na buhay sa maraming paraan. Ang pagmasid sa mga epekto nito ay kasing dali ng paglalagay ng anumang bagay sa isang tiyak na taas at pagiging tiyak na maaari itong gumulong o mahulog sa anumang oras.

Narito ang ilang mga pagpapakita ng mga uri ng potensyal na enerhiya na dati nang inilarawan:

-Roller baybayin

-Mga bar o bola na gumulong pababa

-Bows at arrow

-Electrical na baterya

Isang orasan ng pendulum

Kapag ang isa sa mga spheres sa mga dulo ay inilalagay sa paggalaw, ang kilusan ay ipinapadala sa iba. Pinagmulan: Pixabay.

-Swinging sa isang ugoy

-Magsakay sa isang trampolin

-Gumamit ng isang maaaring iurong pen.

Tingnan: mga halimbawa ng potensyal na enerhiya.

Pagkalkula ng potensyal na enerhiya

Ang potensyal na enerhiya ay nakasalalay sa gawa na ginawa ng puwersa at ito naman ay hindi nakasalalay sa tilapon, kaya maaari itong masabi na:

-Ang A at B ay dalawang puntos, ang gawaing W _{AB na} kinakailangan upang pumunta mula sa A hanggang B ay katumbas ng gawaing kinakailangan upang pumunta mula B hanggang A. Samakatuwid: W _AB = W _BA , kaya:

-At kung ang dalawang magkakaibang mga tilapon 1 at 2 ay sinubukan na sumali sa sinabi na mga punto A at B, ang gawaing ginagawa sa parehong mga kaso ay pareho din:

W ₁ = W ₂ .

Sa alinmang kaso nakakaranas ang bagay ng pagbabago sa potensyal na enerhiya:

Kaya, ang potensyal na enerhiya ng bagay ay tinukoy bilang negatibo sa gawaing ginawa ng (konserbatibo) na puwersa:

Ngunit dahil ang trabaho ay tinukoy ng integral na ito:

:

Tandaan na ang mga yunit ng potensyal na enerhiya ay pareho sa mga nagtatrabaho. Sa SI International System ang yunit ay ang joule, na kung saan ay pinaikling J at ay katumbas ng 1 newton x meter, ng pisika na Ingles na si James Joule (1818-1889).

Ang iba pang mga yunit para sa enerhiya ay kinabibilangan ng cgs erg, ang pound-force x paa, ang BTU (British Thermal Unit), ang mga calories, at ang kilowatt-hour.

Tingnan natin sa ibaba ang ilang mga partikular na kaso kung paano makalkula ang potensyal na enerhiya.

Pagkalkula ng potensyal na potensyal na enerhiya

Sa paligid ng ibabaw ng lupa, ang puwersa ng mga punto ng gravity na patayo pababa at ang lakas nito ay ibinibigay ng equation Timbang = mass x gravity.

Ang pagtukoy sa vertical axis na may titik na "y" at nagtalaga sa direksyon na ito ang yunit vector j , positibo pataas at negatibo, ang pagbabago sa potensyal na enerhiya kapag ang isang katawan ay gumagalaw mula sa y = y _A to y = at _B ay :

Pagkalkula ng nababanat na potensyal na enerhiya

Sinasabi sa atin ng batas ni Hooke na ang puwersa ay proporsyonal sa pagpapapangit:

Narito x ay ang pilay at k ay isang eigen pare-pareho ng tagsibol, na nagpapahiwatig kung gaano ito kahigpit. Sa pamamagitan ng pagpapahayag na ito ang nababanat na potensyal na enerhiya ay kinakalkula, isinasaalang-alang na ako ang yunit na vector sa pahalang na direksyon:

Pagkalkula ng electrostatic potensyal na enerhiya

Kapag mayroon kang isang punto na singil sa kuryente Q, gumagawa ito ng isang patlang ng kuryente na nakakakita ng isa pang singil sa point q, at kung saan ay gumagana sa ito kapag inilipat mula sa isang posisyon patungo sa isa pa sa gitna ng larangan. Ang puwersa ng electrostatic sa pagitan ng dalawang mga singil sa point ay may direksyon ng radial, na sinasagisag ng yunit vector r :

Larawan halimbawa 1. Pinagmulan: F. Zapata.

Solusyon

Kung ang bloke ay nasa taas h _{A na} may paggalang sa sahig, mayroon itong potensyal na potensyal na enerhiya dahil sa taas nito. Kapag pinakawalan, ang potensyal na enerhiya na ito ay unti-unting na-convert sa kinetic energy, at habang pinapabagsak nito ang makinis na curved ramp, tumataas ang bilis nito.

Sa panahon ng landas mula A hanggang B, ang mga equation ng pantay na magkakaibang uri ng rectilinear motion ay hindi mailalapat. Bagaman ang gravity ay may pananagutan sa paggalaw ng bloke, ang paggalaw na nararanasan nito ay mas kumplikado, dahil ang tilapon ay hindi rectilinear.

Pag-iingat ng enerhiya sa landas AB

Gayunpaman, dahil ang gravity ay isang konserbatibong puwersa at walang pagkiskis sa rampa, maaari mong gamitin ang pag-iingat ng enerhiya ng makina upang mahanap ang bilis sa dulo ng rampa:

Ang expression ay pinasimple sa pamamagitan ng pagpapansin na ang masa ay lilitaw sa bawat term. Ito ay pinakawalan mula sa pahinga v _A = 0. At ang h _B ay nasa antas ng lupa, h _B = 0. Sa mga pagpapagaan na ito, binabawasan ang expression sa:

Trabaho na ginawa sa pamamagitan ng pag-rub sa seksyon BC

Ngayon ang bloke ay nagsisimula sa paglalakbay nito sa magaspang na seksyon na may ganitong bilis at sa wakas ay tumitigil sa puntong C. Samakatuwid v _C = 0. Ang enerhiya ng mekanikal ay hindi na napagtibay, sapagkat ang alitan ay isang hindi mapag-aalinlangan na puwersa, na gumawa ng isang magtrabaho sa block na ibinigay ng:

Ang gawaing ito ay may negatibong pag-sign, dahil ang kinetic friction ay nagpapabagal sa bagay, tumututol sa paggalaw nito. Ang laki ng kinetic friction f _k ay:

Kung saan ang N ay ang lakas ng normal na puwersa. Ang normal na puwersa ay pinalakas ng ibabaw sa bloke, at dahil ang ibabaw ay ganap na pahalang, binabalanse nito ang bigat na P = mg, samakatuwid ang laki ng normal ay:

Aling humahantong sa:

Ang gawain na ginagawa ng f _k sa block ay: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Pagkalkula ng pagbabago sa enerhiya ng makina

Ang gawaing ito ay katumbas ng pagbabago sa enerhiya ng makina, kinakalkula tulad nito:

Sa ekwasyong ito ay may ilang mga termino na nawawala: K _C = 0, dahil ang block ay humihinto sa C at U _C = U _B mawawala rin , dahil ang mga puntong ito ay nasa antas ng lupa. Ang mga resulta ng pagpapagaan sa:

Ang masa ay muling nagtatanggal at maaaring makuha ang D tulad ng mga sumusunod:

Mga Sanggunian

1. Bauer, W. 2011. Physics para sa Teknolohiya at Siyensya. Dami 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serye: Physics para sa Science at Engineering. Dami 2. Dinamika. Na-edit ni Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Pisika: Mga Prinsipyo na may Aplikasyon. Ika-6. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Physics para sa Siyentipiko at Teknolohiya: isang Diskarte sa Diskarte. Pearson.
5. Mga Luha, Zemansky. 2016. Unibersidad sa Unibersidad na may Makabagong Pisika. Ika-14. Ed. Dami ng 1-2.