De potentiële energie Het is de energie die lichamen bezitten op grond van hun configuratie. Wanneer objecten op elkaar inwerken, zijn er krachten tussen hen die in staat zijn om werk te doen, en dit vermogen om werk te doen, dat is opgeslagen in hun dispositie, kan worden omgezet in energie..
Mensen hebben bijvoorbeeld sinds onheuglijke tijden de potentiële energie van watervallen benut, eerst door molens te spinnen en vervolgens in waterkrachtcentrales..
Aan de andere kant hebben veel materialen een opmerkelijk vermogen om werk te doen door te vervormen en vervolgens terug te keren naar hun oorspronkelijke grootte. En in andere omstandigheden maakt de opstelling van de elektrische lading de opslag van elektrische potentiële energie mogelijk, zoals bijvoorbeeld in een condensator.
Potentiële energie biedt veel mogelijkheden om te worden omgezet in andere vormen van bruikbare energie, vandaar het belang van het kennen van de wetten die erop van toepassing zijn..
Artikel index
De potentiële energie van een object vindt zijn oorsprong in de krachten die erop van invloed zijn. Potentiële energie is echter een scalaire grootte, terwijl krachten vector zijn. Om de potentiële energie te specificeren, is het daarom voldoende om de numerieke waarde en de geselecteerde eenheden aan te geven.
Een andere belangrijke eigenschap is het soort kracht waarmee potentiële energie kan worden opgeslagen, aangezien niet elke kracht deze deugd heeft. Alleen conservatieve krachten slaan potentiële energie op in de systemen waarop ze werken.
Een conservatieve kracht is er een waarvoor het werk niet afhangt van het pad dat het object volgt, maar alleen van het startpunt en het aankomstpunt. De kracht die het vallende water aandrijft, is de zwaartekracht, wat een conservatieve kracht is.
Aan de andere kant hebben elastische en elektrostatische krachten ook deze kwaliteit, daarom is er potentiële energie aan verbonden..
Krachten die niet aan de bovengenoemde eis voldoen, worden niet-conservatief genoemd; voorbeelden hiervan zijn in wrijving en luchtweerstand.
Aangezien potentiële energie altijd afkomstig is van conservatieve krachten zoals die al genoemd zijn, spreken we van potentiële zwaartekrachtenergie, elastische potentiële energie, elektrostatische potentiële energie, potentiële kernenergie en chemische potentiële energie..
Elk object heeft potentiële energie als functie van de hoogte vanaf de grond. Dit ogenschijnlijk simpele feit illustreert waarom vallend water in staat is turbines aan te drijven en uiteindelijk wordt omgezet in elektrische energie. Het hier getoonde voorbeeld van skiërs toont ook de relatie tussen gewicht en lengte tot potentiële zwaartekrachtenergie.
Een ander voorbeeld is dat van een achtbaanauto, die een hogere potentiële energie heeft wanneer deze zich op een bepaalde hoogte boven de grond bevindt. Zodra het het maaiveld heeft bereikt, is de hoogte gelijk aan nul en is al zijn potentiële energie omgezet in kinetische energie (bewegingsenergie).
Voorwerpen zoals veren, bogen, kruisbogen en elastiekjes kunnen elastische potentiële energie opslaan..
De elasticiteit van een lichaam of een materiaal wordt beschreven door de wet van Hooke (tot bepaalde limieten), die ons vertelt dat de kracht die kan worden uitgeoefend wanneer het wordt samengedrukt of uitgerekt, evenredig is met de vervorming ervan.
In het geval van bijvoorbeeld een veer of veer betekent dit dat hoe meer deze krimpt of uitrekt, hoe groter de kracht kan worden uitgeoefend op een voorwerp dat aan één uiteinde is geplaatst..
Het is de energie die elektrische ladingen hebben dankzij hun configuratie. Elektrische ladingen van hetzelfde teken stoten elkaar af, dus om een paar positieve - of negatieve - ladingen in een bepaalde positie te plaatsen, moet een externe agent werk doen. Anders zouden ze de neiging hebben om uit elkaar te gaan.
Dit werk wordt opgeslagen zoals de ladingen zich bevonden. Hoe dichter de ladingen van hetzelfde bord zijn, hoe hoger de potentiële energie van de configuratie. Het tegenovergestelde gebeurt als het gaat om heel veel verschillende tekens; hoe ze aantrekken, hoe dichter ze bij elkaar zijn, hoe minder potentiële energie ze hebben.
De atoomkern bestaat uit protonen en neutronen, generiek genoemd nucleonen. De eerste hebben een positieve elektrische lading en de laatste zijn neutraal..
Omdat ze zijn geagglomereerd in een kleine ruimte die onvoorstelbaar is, en wetende dat ladingen van hetzelfde teken elkaar afstoten, kun je je afvragen hoe de atoomkern samenhangend blijft..
Het antwoord ligt in andere krachten dan elektrostatische afstoting, typisch voor de kern, zoals de sterke nucleaire interactie en de zwakke nucleaire interactie. Dit zijn zeer sterke krachten, die de elektrostatische kracht ver overtreffen.
Deze vorm van potentiële energie komt voort uit hoe de atomen en moleculen van stoffen zijn gerangschikt volgens de verschillende soorten chemische bindingen..
Bij een chemische reactie kan deze energie worden omgezet in andere soorten, bijvoorbeeld door middel van een batterij of elektrische batterij.
Potentiële energie is op veel manieren in het dagelijks leven aanwezig. Het observeren van de effecten is net zo eenvoudig als het plaatsen van een object op een bepaalde hoogte en er zeker van zijn dat het op elk moment kan rollen of vallen.
Hier zijn enkele manifestaties van de soorten potentiële energie die eerder zijn beschreven:
-Achtbanen
-Auto's of ballen die heuvelafwaarts rollen
-Pijlen en bogen
-Elektrische batterijen
-Een klokslinger
-Schommel op een schommel
-Spring op een trampoline
-Met behulp van een intrekbare pen.
Zie: mogelijke energievoorbeelden.
De potentiële energie hangt af van het werk dat door de kracht wordt gedaan en dit is op zijn beurt niet afhankelijk van het traject, dus kan worden gesteld dat:
-Als A en B twee punten zijn, is het werk W.AB nodig om van A naar B te gaan is gelijk aan het werk dat nodig is om van B naar A te gaan.Daarom: W.AB = WBA, zo:
W.AB + W.BA = 0
-En als twee verschillende trajecten 1 en 2 worden geprobeerd om genoemde punten A en B te verbinden, is het werk in beide gevallen ook hetzelfde:
W.1 = Wtwee.
In beide gevallen ervaart het object een verandering in potentiële energie:
Verandering = uiteindelijke potentiële energie - aanvankelijke potentiële energie
AU = Ulaatste - OFeerste = UB - OFNAAR
Welnu, de potentiële energie van het object wordt gedefinieerd als het negatief van het werk dat wordt gedaan door de (conservatieve) kracht:
AU = -WAB
Maar aangezien werk wordt bepaald door deze integraal:
Merk op dat de eenheden van potentiële energie dezelfde zijn als die van werk. In het SI International System is de eenheid de joule, die wordt afgekort J en gelijk is aan 1 Newton x meter, door de Engelse natuurkundige James Joule (1818-1889).
Andere eenheden voor energie zijn de cgs erg, de pondkracht x voet, de BTU (Britse Warmte-eenheid), calorieën en kilowattuur.
Laten we hieronder enkele specifieke gevallen bekijken om potentiële energie te berekenen.
In de buurt van het aardoppervlak wijst de zwaartekracht verticaal naar beneden en de grootte wordt gegeven door de vergelijking Gewicht = massa x zwaartekracht.
Geeft de verticale as aan met de letter "y" en wijst aan deze richting de eenheidsvector toe j, positief naar boven en negatief naar beneden, de verandering in potentiële energie wanneer een lichaam zich verplaatst y = yNAAR tot y = yB het is:
U (y) = mgy
De wet van Hooke vertelt ons dat de kracht evenredig is met de vervorming:
F = -k.x
Hier X is de vervorming en k is een eigenconstante van de veer, die aangeeft hoe stijf hij is. Door deze uitdrukking wordt de elastische potentiële energie berekend, rekening houdend daarmee ik is de eenheidsvector in horizontale richting:
U (x) = ½ kxtwee
Als je een elektrische puntlading Q hebt, produceert deze een elektrisch veld dat een andere puntlading waarneemt wat, en dat het eraan werkt als het van de ene positie naar de andere in het midden van het veld wordt verplaatst. De elektrostatische kracht tussen twee puntladingen heeft een radiale richting, gesymboliseerd door de eenheidsvector r
Een veer waarvan de constante is k = 10,0 N / cm strekt zich aanvankelijk 1,00 cm uit vanaf zijn evenwichtslengte. U wordt gevraagd om de extra energie te berekenen die nodig is om de veer uit te rekken tot 5,00 cm voorbij zijn evenwichtslengte..
Door x = 1,00 cm direct in de vergelijking voor U (x) te substitueren, krijgen we N. cm, maar de centimeters moeten worden omgezet in meters om de energie in joules te verkrijgen:
U (1) = 0,5 x 10,0 N / cm x (1,00 cm)twee = 5 N. cm = 0,05 J; U (5) = 0,5 x 10,0 N / cm x (5,00 cm)twee = 125 N. cm = 1,25 J
Daarom is het gezochte energieverschil 1,25 - 0,05 J = 1,20 J.
Vanuit punt A wordt een blokje losgelaten om langs de wrijvingsloze gebogen hellingbaan naar punt B te glijden. Van daaruit komt het op een lang ruw horizontaal oppervlak met een dynamische wrijvingscoëfficiënt μk = 0,2. Zoek uit hoe ver van punt B het stopt, ervan uitgaande dat hNAAR= 3m.
Als het blok zich op een hoogte bevindt hNAAR Met betrekking tot de grond heeft het vanwege zijn hoogte potentiële zwaartekrachtenergie. Bij het vrijkomen wordt deze potentiële energie geleidelijk omgezet in kinetische energie, en naarmate het van de gladde, gebogen helling af glijdt, neemt de snelheid toe..
Tijdens het pad van A naar B kunnen de vergelijkingen van gelijkmatig gevarieerde rechtlijnige bewegingen niet worden toegepast. Hoewel de zwaartekracht verantwoordelijk is voor de beweging van het blok, is de beweging die het ervaart complexer, omdat het traject niet rechtlijnig is.
Omdat de zwaartekracht echter een conservatieve kracht is en er geen wrijving is op de helling, kunt u het behoud van mechanische energie gebruiken om de snelheid aan het einde van de helling te vinden:
Mechanische energie in A = Mechanische energie in B
m.g.hNAAR + ½ m.vNAARtwee = m.g.hB + ½ m.vBtwee
De uitdrukking wordt vereenvoudigd door op te merken dat de massa in elke term voorkomt. Het is vrijgelaten uit rust vNAAR = 0. En hB bevindt zich op de begane grond, hB = 0. Met deze vereenvoudigingen reduceert de uitdrukking tot:
vBtwee = ghNAAR
Nu begint het blok met deze snelheid zijn reis in het ruwe gedeelte en stopt uiteindelijk bij punt C. Daarom vC = 0. Mechanische energie wordt niet langer behouden, omdat wrijving een dissipatieve kracht is, die werk heeft gedaan aan het blok gegeven door:
W.aanraken = - wrijvingskracht x afgelegde afstand
Dit werk heeft een negatief teken, omdat de kinetische wrijving het object vertraagt en zijn beweging tegenwerkt. De omvang van de kinetische wrijving F.k het is:
F.k = μk .N
Waar N is de grootte van de normaalkracht. De normaalkracht wordt uitgeoefend door het oppervlak op het blok en aangezien het oppervlak volledig horizontaal is, wordt het gewicht in evenwicht gehouden P = mg, daarom is de grootte van de normaal:
N = mg
Wat leidt tot:
F.k = μk .mg
Het werk dat F.k doet over het blok is: W.k = - fk .D = - μk .mg.D.
Dit werk is gelijkwaardig aan verandering in mechanische energie, zo berekend:
Mechanische energie in C - Mechanische energie in B =
ΔEm = (UC +KC) - (OFB + KB) = - μk .mg.D
In deze vergelijking zijn er enkele termen die verdwijnen: KC = 0, aangezien het blok stopt bij C en U ook verdwijntC = UB, omdat deze punten zich op het maaiveld bevinden. De vereenvoudiging resulteert in:
- KB = - μk .m.g.D
½ m.vBtwee = μk .m.g.D
De massa vervalt weer en D kan als volgt worden verkregen:
D = (½ vBtwee) / (μk . g) = (½ vBtwee) / (μk . g) = (½g.hNAAR) / (μk . g) = (½ uurNAAR) / μk = 0,5 x 3 m / 0,2 = 7,5 m
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.