Лекция
Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про потенциальная энергия, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое потенциальная энергия , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Физические основы механики.
потенциальная энергия - это энергия, обусловленная взаимным расположением тел и характером их взаимодействия. При соответствующих условиях возможно изменение потенциальной энергии, за счет чего совершается работа. Потенциальная энергия 
— скалярная физическая величина, представляющая собой часть полной механической энергии системы, находящейся в поле консервативных сил.
Потенциальная энергия зависит от положения материальных точек, составляющих систему, и характеризует работу, совершаемую полем при их перемещении . Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы и описывающая взаимодействие элементов системы .
Термин "потенциальная энергия" был придуман шотландским инженером-механиком Уильямом Рэнкином в 19 веке. Вскоре она стала одной из самых влиятельных переменных в формулах, описывающих нашу известную вселенную.
Потенциальная энергия - это энергия, накопленная внутри объекта. Эта накопленная энергия основана на состоянии, расположении или положении объекта.
С другой стороны, вы можете представить ее как энергию, которая имеет "потенциал" для работы. При изменении состояния, расположения или положения объекта накопленная энергия высвобождается.
В то время как потенциальную энергию можно определить как скрытую энергию, накопленную в веществе в состоянии покоя, другая ее форма, называемая кинетической энергией, выражается веществом, находящимся в движении.
В формулах принято обозначать потенциальную энергию буквой 
но также могут использоваться обозначения 
, 
и другие.
Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином.
Единицей измерения потенциальной энергии в Международной системе единиц (СИ) является джоуль, а в системе СГС — эрг.
Взаимодействие тел можно описывать либо с помощью сил, либо (для случая консервативных сил) с помощью потенциальной энергии как функции координат. В квантовой механике используется исключительно второй способ: в ее уравнениях движения фигурирует потенциальная энергия взаимодействующих частиц .
Для поднятия тела массой m на высоту 
необходимо совершить работу против сил тяготения Р:
,
знак минус перед интегралом, т.к. сила Р направлена в сторону противоположную изменению h.
Проинтегрируем это выражение:
Эта энергия пойдет на увеличение энергии замкнутой системы тело-Земля т.е. численно равна
Считая поверхности Земли 
, получим
Эта энергия 
системы тело - Земля и является потенциальной энергиейтела, поднятого на высоту h:
 |
(4.11) |
В потенциальном поле работа по перемещению заряда из точки 
в точку 
не зависит от траектории перемещения
В то время как кинетическая энергия всегда характеризует тело относительно выбранной системы отсчета, потенциальная энергия всегда характеризует тело относительно источника силы (силового поля). Кинетическая энергия тела определяется его скоростью относительно выбранной системы отсчета; потенциальная — расположением тел в поле.
Кинетическая энергия системы всегда представляет собой сумму кинетических энергий точек, потенциальная энергия в общем случае существует лишь для системы в целом, и само понятие «потенциальная энергия отдельной точки системы» может быть лишено смысла .
Потенциальная энергия определяется с точностью до постоянного слагаемого (приводимые в следующем разделе выражения для 
могут быть дополнены произвольным фиксированным членом 
). Однако основной физический смысл имеет не само значение потенциальной энергии, а ее изменение: например, сила, действующая со стороны потенциального поля на тело, записывается (
— оператор набла) как:
и равна взятого с обратным знаком градиенту потенциального поля.
В одномерном случае:
так что произвол выбора 
не сказывается. Обычно для удобства выбирают 
на бесконечном удалении от системы.
Потенциальная энергия тела в поле тяготения Земли вблизи поверхности приближенно выражается формулой:
где 
— масса тела,
— ускорение свободного падения,
— высота положения центра масс тела над произвольно выбранным нулевым уровнем.
Потенциальная энергия материальной точки, несущей электрический заряд 
, в электростатическом поле с потенциалом 
составляет:
Например, если поле создается точечным зарядом 
в вакууме, то будет 
(записано в системе СИ), где 
— расстояние между зарядами и , а 
— электрическая постоянная.
Потенциальная энергия упругой деформации характеризует взаимодействие между собой частей тела и в пределах применимости закона Гука приближенно выражается формулой:
где 
— жесткость деформированного тела,
— смещение от положения равновесия.
Существуют различные типы потенциальной энергии, каждый из которых связан с определенным типом силы.
Четыре основных типа:
Каждый из них измеряется по-разному. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Например, потенциальная энергия гравитации (PE) пропорциональна массе (m) объекта, силе тяжести (g) и высоте (h), на которой удерживается объект.
PE = m. g. h
Чем больше масса объекта и чем выше он удерживается, тем больше будет его потенциальная энергия. Как и все другие формы энергии, потенциальная энергия измеряется в килограммах-метрах в квадрате за секунду в квадрате (кг м2 / С2) или Джоуле (Дж).
Чтобы лучше объяснить этот феномен, мы собрали несколько интересных примеров потенциальной энергии, которую вы видите в своей повседневной жизни.
Тип: Гравитационная потенциальная энергия
В простом маятнике, груз прикреплен к концу почти безмассовой нити, которая качается вокруг оси. Когда маятник качается назад и вперед, энергия превращается между потенциальной энергией и кинетической энергией.
Груз несет на одном конце максимальную потенциальную энергию. По мере того как он под действием силы тяжести качается в самую нижнюю точку, его потенциальная энергия начинает преобразовываться в кинетическую энергию.
Потенциальная энергия груза достигает нуля (а кинетическая энергия достигает максимума) в самой нижней точке. К тому времени, когда он достигает другого конца, его кинетическая энергия полностью преобразуется в потенциальную энергию.
Процесс повторяется несколько раз, пока маятник не остановится. Поскольку часть энергии теряется в тепле и трении, вам нужна внешняя энергия, чтобы поддерживать движение маятника.
Тип: Гравитационная потенциальная энергия
Камень, расположенный на краю скалы, обладает потенциальной энергией, которая пропорциональна массе камня и высоте скалы. Если вы столкнете его с утеса, та же самая потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию.
Как вы можете видеть на изображении, тяжелый валун из песчаника опасно лежит на крутом склоне. Он обладает потенциальной энергией относительно склона, так как кажется, что он готов упасть в любой момент и скатиться на несколько метров в долину внизу.
Тип: Гравитационная потенциальная энергия
Вода за плотиной гидроэлектростанции хранит огромную потенциальную энергию, так как она находится на гораздо более высоком уровне, чем вода с другой стороны плотины. Когда ворота таких плотин открываются, вода начинает падать, и накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая превращает турбины для производства электроэнергии.
Помимо производства электричества, водные плотины также строятся с целью контроля речного стока и регулирования наводнений.
Тип: Гравитационная потенциальная энергия
Ветви деревьев обладают потенциальной энергией, потому что они могут упасть на землю. Чем тяжелее ветка и чем выше она находится к земле, тем больше потенциальной энергии она имеет.
Аналогичным образом, плод, свисающий с верхней ветви, также обладает некоторой потенциальной энергией. Когда плод падает, его энергия положения (потенциальная энергия) преобразуется в энергию движения (кинетическую энергию). И когда он ударяется о землю, кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию.
Тип: Гравитационная потенциальная энергия
Большинство американских горок используют гравитацию для перемещения вагонов по трассе. Большая цепь (прицепленная к нижней части вагонов) тянет вагоны на вершину первого холма, который является самой высокой точкой на американских горках. Как только вагоны достигают вершины холма, они освобождаются от цепи.
В американских горках работают две формы энергии: потенциальная энергия и кинетическая энергия. Одна из них преобразуется в другую на протяжении всей поездки, в то время как значительное количество энергии теряется из-за сопротивления воздуха и трения.
Потенциальная гравитационная энергия вагонов наименьшая в самой низкой точке американских горок и наибольшая в самой высокой точке.
Тип: Эластичная потенциальная энергия
Энергия, накопленная в сжимаемых/растягивающихся объектах, называется эластичной потенциальной энергией. Чем больше объект может сжиматься/растягиваться, тем более упругая потенциальная энергия (U) у него есть. Она пропорциональна константе силы пружины (k) и длине струны сжатия/растяжения (x) в метрах.
Когда пружина растягивается или сжимается, она получает определенное количество потенциальной энергии. Это равно кинетической энергии, которая использовалась для растяжения или сжатия пружины.
Как только пружина высвобождается, потенциальная энергия снова преобразуется в кинетическую энергию. Однако процесс преобразования энергии не является полностью эффективным, так как значительная часть энергии теряется при нагревании и трении.
Тип: Эластичная потенциальная энергия
Лук и стрела - это традиционная система оружия дальнего боя, которая состоит из упругого пускового инструмента (лук) и длинноствольных снарядов (стрел).
Лучник использует свои мышцы для приложения силы к струне, сгибая конечности назад. Сила, которую он оказывает на струну, известна как "вытягивание веса". Упругая энергия теперь является потенциальной энергией, которая может быть использована для запуска стрелки (путем освобождения струны).
Чем больше вы деформируете конечности, оттягивая их назад, тем больше вы увеличиваете накопленную потенциальную энергию. Очевидно, есть предел тому, сколько силы вы можете приложить, чтобы натянуть лук и сколько силы лук может выдержать без трещин.
Тип: Эластичная потенциальная энергия
В тебя когда-нибудь стреляли из резинки? Если да, то вы знаете, что она содержит достаточно энергии, чтобы ударить в руку и вызвать боль.
Когда вы натягиваете резинку, вы вводите в нее определенное количество потенциальной энергии. А когда вы его высвобождаете, эта потенциальная энергия быстро преобразуется в кинетическую (двигательную) энергию.
Тип: Электрическая потенциальная энергия
Когда мы соединяем электричество с электрическими цепями и устройствами, мы преобразуем энергию из одной формы в другую. Электронные схемы хранят (потенциальную) энергию и передают ее в другие формы, такие как свет, тепло или движение.
Подобно тому, как объекты под действием силы тяжести обладают гравитационной потенциальной энергией, заряды в электрическом поле обладают электрической потенциальной энергией.
Электрическая потенциальная энергия заряда показывает, сколько энергии он содержит. При приведении в движение электростатической силой эта накопленная энергия становится кинетической, и заряд действительно работает (что измеряется в джоулях).
Для любого заряда в электрическом поле его электрическая потенциальная энергия зависит от типа (отрицательного или положительного), количества заряда и его положения в поле.
Тип: Химическая потенциальная энергия
Пища, которую мы едим, накапливает потенциальную химическую энергию. Когда она достигает нашего желудка, та же самая энергия превращается в другие формы, которые использует наше тело.
По мере того как связи между атомами в пище разрываются или ослабевают, происходит химическая реакция, образующая новые соединения. Энергия, генерируемая этой реакцией, поддерживает наше тепло, помогает нам двигаться и расти. Различные продукты питания содержат разное количество энергии.
Тип: Потенциальная химическая энергия
Сухие лесоматериалы содержат химическую энергию. Когда они сжигаются в камине, они высвобождают эту химическую энергию, которая в конечном итоге преобразуется в светлую и тепловую энергию. После химической реакции древесина превращается в новое вещество - золу.
Тип: Химическая потенциальная энергия
Обычные батарки , обладают потенциальной химической энергией, которая может быть преобразована в электрическую энергию.
Каждая батарея состоит из двух электродов (один катод и один анод). Между этими электродами находится гелеобразное вещество, называемое электролитом. Он состоит из заряженных частиц или ионов, которые соединяются с материалами электрода, вызывая химические реакции, которые позволяют батарее производить электрический ток.
Различные электроды и электролиты создают разные химические реакции, которые определяют эффективность батареи (сколько энергии она может хранить и ее напряжение).
Тип: Химическая потенциальная энергия
Динамит является еще одним ярким примером химической потенциальной энергии. Он состоит из нитроглицерина (очень нестабильного вещества), сорбентов (таких, как порошкообразные оболочки или глина) и стабилизаторов.
При воспламенении нитроглицерин в динамите быстро взрывается, выделяя огромное количество азота и других газов вместе с теплом.
Тип: Химическая потенциальная энергия
Когда вы заправляете свой автомобиль бензином, вы снабжаете его химической потенциальной энергией. Эта энергия содержится в различных химических веществах (в основном, органических соединениях, полученных путем фракционной перегонки нефти), которые составляют бензин.
Энергия высвобождается, когда бензин сжигается контролируемым образом в двигателе транспортного средства. Это потенциальное выделение энергии делает две вещи: часть энергии преобразуется в работу, которая используется для движения транспортного средства, а часть преобразуется в тепло, что делает двигатель автомобиля очень горячим.
Тип: Ядерная потенциальная энергия
Ядерная потенциальная энергия - это потенциальная энергия субатомных частиц (таких, как протоны и нейтроны), присутствующих внутри ядра атома. Она удерживает протоны и нейтроны вместе, образуя ядро.
Когда два или более атомных ядра объединяются, чтобы сформировать большое ядро (ядерный синтез), высвобождается огромное количество энергии. Точно так же, когда одно ядро распадается на два меньших ядра (деление ядер), оно высвобождает большое количество энергии.
Атомные электростанции используют такие ядерные реакции (в основном ядерное деление урана и плутония) для получения тепла, которое затем используется в паровых турбинах для производства электроэнергии.
По сравнению с другими источниками энергии атомные электростанции используют меньшее количество сырья, имеют нулевой выброс, являются более мощными и эффективными.
Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про потенциальная энергия Надеюсь, что теперь ты понял что такое потенциальная энергия и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Физические основы механики
Комментарии
Оставить комментарий
Физические основы механики
Термины: Физические основы механики