POTENTIËLE ENERGIE: KENMERKEN, TYPEN, BEREKENING EN VOORBEELDEN - FYSIEK - 2026

De potentiële energie is de energie die in zijn eigen configuratie wordt gevormd. 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 opstelling, kan worden vertaald in energie.

Mensen hebben bijvoorbeeld al sinds mensenheugenis de potentiële energie van watervallen benut, eerst door molens te spinnen en vervolgens in waterkrachtcentrales.

Niagara Falls: een enorm reservoir van potentiële zwaartekrachtenergie. Bron: Pixabay.

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.

Herkomst van potentiële energie

De potentiële energie van een object vindt zijn oorsprong in de krachten die erop van invloed zijn. Potentiële energie is echter een scalaire grootheid, 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 wrijving en luchtweerstand.

Soorten potentiële energie

Omdat potentiële energie altijd afkomstig is van conservatieve krachten zoals die al zijn genoemd, spreken we van potentiële zwaartekrachtenergie, elastische potentiële energie, elektrostatische potentiële energie, potentiële kernenergie en chemische potentiële energie.

Gravitatie 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 om turbines aan te drijven en uiteindelijk wordt omgezet in elektrische energie. Het hier getoonde skiërvoorbeeld toont ook de relatie tussen gewicht en lengte tot potentiële zwaartekrachtenergie.

Een ander voorbeeld is een achtbaanauto, die een hogere potentiële energie heeft wanneer deze zich op een bepaalde hoogte boven de grond bevindt. Als het eenmaal het grondniveau heeft bereikt, is zijn hoogte gelijk aan nul en is al zijn potentiële energie omgezet in kinetische energie (bewegingsenergie).

De animatie toont de uitwisseling tussen potentiële zwaartekrachtenergie en kinetische energie van een object dat beweegt op een achtbaan. De som van beide energieën, mechanische energie genaamd, is constant gedurende de beweging. Bron: Wikimedia Commons.

Elastische potentiële energie

Voorwerpen zoals veren, bogen, kruisbogen en elastiekjes kunnen elastische potentiële energie opslaan.

Door de boog te trekken, doet de boogschutter werk dat wordt opgeslagen als potentiële energie van het boog-pijlsysteem. Wanneer je de boog loslaat, wordt deze energie omgezet in de beweging van de pijl. Bron: Pixabay.

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 hij krimpt of uitrekt, hoe groter de kracht die hij kan uitoefenen op een voorwerp dat aan één uiteinde is geplaatst.

Elektrostatische potentiële energie

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; Naarmate ze elkaar aantrekken, hoe dichter ze bij elkaar zijn, hoe minder potentiële energie ze hebben.

Nucleaire potentiële energie

Geschatte weergave van het heliumatoom. In de kern zijn de protonen in rood weergegeven en de neutronen in blauw.

De atoomkern is opgebouwd uit protonen en neutronen, in het algemeen nucleonen genoemd. De eerste hebben een positieve elektrische lading en de laatste zijn neutraal.

Omdat ze zijn geagglomereerd in een onvoorstelbare kleine ruimte, 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, karakteristiek voor de kern, zoals de sterke nucleaire interactie en de zwakke nucleaire interactie. Dit zijn zeer sterke krachten die de elektrostatische kracht ver overtreffen.

Chemische potentiële energie

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 cel of elektrische batterij.

Voorbeelden van potentiële energie

Potentiële energie is op veel manieren aanwezig in het dagelijks leven. 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 slingeruurwerk

Wanneer een van de bollen aan de uiteinden in beweging wordt gebracht, wordt de beweging op de andere overgebracht. Bron: Pixabay.

-Swing op een schommel

- Spring op een trampoline

-Gebruik een intrekbare pen.

Zie: voorbeelden van potentiële energie.

Berekening van potentiële energie

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 dat} nodig is om van A naar B te gaan gelijk aan het werk dat nodig is om van B naar A te gaan.Daarom: W _AB = W _BA , dus:

-En als twee verschillende trajecten 1 en 2 worden geprobeerd om genoemde punten A en B te verbinden, is het werk dat in beide gevallen wordt gedaan ook hetzelfde:

W ₁ = W ₂ .

In beide gevallen ervaart het object een verandering in potentiële energie:

Welnu, de potentiële energie van het object wordt gedefinieerd als het negatief van het werk van de (conservatieve) kracht:

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 (British Thermal Unit), de calorieën en het kilowattuur.

Laten we hieronder enkele specifieke gevallen bekijken om potentiële energie te berekenen.

Berekening van potentiële zwaartekrachtenergie

In de buurt van het aardoppervlak wijst de zwaartekracht verticaal naar beneden en de grootte wordt gegeven door de vergelijking Gewicht = massa x zwaartekracht.

De verticale as aanduidend met de letter "y" en aan deze richting de eenheidsvector j toewijzen , positief omhoog en negatief omlaag, de verandering in potentiële energie wanneer een lichaam beweegt van y = y _A naar y = en _B is :

Berekening van elastische potentiële energie

De wet van Hooke vertelt ons dat de kracht evenredig is met de vervorming:

Hier is x de rek en k is een eigenconstante van de veer, die aangeeft hoe stijf hij is. Via deze uitdrukking wordt de elastische potentiële energie berekend, rekening houdend met het feit dat i de eenheidsvector is in horizontale richting:

Berekening van elektrostatische potentiële energie

Als je een elektrische puntlading Q hebt, produceert het een elektrisch veld dat een andere puntlading q waarneemt, en dat eraan werkt wanneer 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 :

Figuur bijvoorbeeld 1. Bron: F. Zapata.

Oplossing

Wanneer het blok zich op een hoogte h _{A bevindt} ten opzichte van de vloer, 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 uniform 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.

Behoud van energie in pad AB

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:

De uitdrukking wordt vereenvoudigd door op te merken dat de massa in elke term voorkomt. Het wordt vrijgegeven uit rust v _A = 0. En h _B is op grondniveau, h _B = 0. Met deze vereenvoudigingen reduceert de uitdrukking tot:

Werk gedaan door in sectie BC te wrijven

Nu begint het blok zijn reis in het ruwe gedeelte met deze snelheid en stopt uiteindelijk bij punt C. Daarom v _C = 0. Mechanische energie wordt niet langer behouden, omdat wrijving een dissipatieve kracht is, die een werk aan het blok gegeven door:

Dit werk heeft een negatief teken, omdat de kinetische wrijving het object vertraagt ​​en zijn beweging tegenwerkt. De grootte van de kinetische wrijving f _k is:

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, balanceert het het gewicht P = mg, daarom is de grootte van de normaal:

Wat leidt tot:

Het werk dat f _k doet aan het blok is: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Berekening van verandering in mechanische energie

Dit werk is gelijk aan de verandering in mechanische energie, als volgt berekend:

In deze vergelijking zijn er enkele termen die verdwijnen: K _C = 0, aangezien het blok stopt bij C en U _C = U _B ook verdwijnen , aangezien deze punten zich op grondniveau bevinden. De vereenvoudiging resulteert in:

De massa verdwijnt weer en D kan als volgt worden verkregen:

Referenties

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. Deel 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Deel 2. Dynamiek. Bewerkt door Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fysica: principes met toepassingen. 6e. Ed Prentice Hall.
4. Knight, R. 2017. Physics for Scientists and Engineering: a strategy approach. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Universitaire natuurkunde met moderne natuurkunde. 14e. Ed. Deel 1-2.