Ciri -ciri tenaga, jenis, pengiraan dan contoh tenaga berpotensi

The tenaga keupayaan Ia adalah tenaga yang ada di bawah konfigurasi mereka. Apabila objek berinteraksi, ada daya yang mampu melakukan kerja, dan keupayaan ini melakukan kerja, yang disimpan dalam pelupusan yang mereka miliki, dapat diterjemahkan ke dalam tenaga.

Sebagai contoh, manusia telah mengambil kesempatan daripada potensi tenaga air jatuh sejak zaman dahulu lagi, kilang berputar pertama dan kemudian di loji hidroelektrik.

Niagara Falls: Rizab Tenaga Potensi Graviti Besar. Sumber: Pixabay.

Sebaliknya, banyak bahan mempunyai keupayaan yang luar biasa untuk melakukan kerja dengan ubah bentuk dan kemudian kembali ke saiz asalnya. Dan dalam keadaan lain, susunan caj elektrik membolehkan menyimpan tenaga potensi elektrik, seperti dalam pemeluwap.

Tenaga yang berpotensi menawarkan banyak kemungkinan untuk berubah menjadi bentuk tenaga yang berguna yang lain, oleh itu pentingnya mengetahui undang -undang yang memerintahnya. 

[TOC]

Asal tenaga berpotensi

Tenaga berpotensi objek mempunyai asalnya dalam kekuatan yang mempengaruhinya. Walau bagaimanapun, tenaga berpotensi adalah magnitud skalar, sementara daya adalah vektor. Oleh itu, untuk menentukan tenaga yang berpotensi, sudah cukup untuk menunjukkan nilai berangka dan unit yang dipilih.

Satu lagi kualiti penting ialah jenis daya yang berpotensi tenaga dapat disimpan, kerana tidak ada daya yang mempunyai kebajikan ini. Hanya kuasa konservatif yang menyimpan tenaga yang berpotensi dalam sistem yang mereka bertindak.

Daya konservatif adalah yang mana kerja tidak bergantung pada trajektori yang diikuti oleh objek, tetapi hanya pada titik permulaan dan titik ketibaan. Daya yang mendorong air jatuh adalah graviti, yang merupakan kekuatan konservatif.

Sebaliknya, daya elastik dan elektrostatik juga mempunyai kualiti ini, oleh itu terdapat potensi tenaga yang berkaitan dengannya.

Kuasa yang tidak memenuhi keperluan yang disebutkan di atas, mereka dipanggil tidak konservatif; Contoh mereka dalam geseran dan rintangan udara.

Jenis tenaga berpotensi

Oleh kerana tenaga yang berpotensi selalu berasal dari daya konservatif seperti yang telah disebutkan, terdapat ceramah tenaga potensi graviti, tenaga berpotensi elastik, tenaga potensi elektrostatik, tenaga potensi nuklear dan tenaga kimia berpotensi tenaga.

Tenaga potensi graviti

Sebarang objek mempunyai tenaga berpotensi berdasarkan ketinggian yang mereka ada berkenaan dengan tanah. Fakta mudah ini dalam penampilan, menggambarkan kerana air terjun mampu meningkatkan turbin dan akhirnya berubah menjadi elektrik. Contoh pemain ski yang ditunjukkan di sini juga menunjukkan hubungan berat dan ketinggian dengan tenaga potensi graviti.

Contoh lain ialah kereta gunung roller, yang mempunyai tenaga berpotensi yang lebih besar apabila berada di ketinggian tertentu di tanah. Sebaik sahaja ia mencapai tahap lantai, ketinggiannya sama dengan sifar dan semua tenaga potensinya telah berubah menjadi tenaga kinetik (tenaga pergerakan).

Animasi menunjukkan pertukaran antara tenaga potensi graviti dan tenaga kinetik, objek yang bergerak di roller coaster. Jumlah kedua -dua tenaga, yang dipanggil tenaga mekanikal, tetap sepanjang pergerakan. Sumber: Wikimedia Commons.

Tenaga berpotensi elastik

Objek seperti mata air, gerbang, silang silang dan liga mampu menyimpan tenaga berpotensi elastik.

Apabila Arc Tegang, penjaga gawang melakukan pekerjaan yang disimpan sebagai tenaga berpotensi sistem arka-FET. Apabila arka dikeluarkan, tenaga ini berubah menjadi pergerakan anak panah. Sumber: Pixabay.

Keanjalan badan atau bahan digambarkan oleh undang -undang Hooke (sehingga batas tertentu), yang memberitahu kita bahawa daya yang mampu dikenakan apabila dimampatkan atau diregangkan, adalah berkadar dengan ubah bentuknya.

Boleh melayani anda: ferromagnetisme: bahan, aplikasi dan contoh

Contohnya dalam kes musim bunga atau musim bunga, ini bermakna bahawa semakin mengecil atau membentang, semakin besar daya yang dapat dilakukan pada objek yang diletakkan pada satu ujung.

Tenaga potensi elektrostatik

Ia adalah tenaga yang dikenakan caj elektrik di bawah konfigurasi mereka. Caj elektrik tanda yang sama ditolak, jadi untuk meletakkan beberapa beban positif - atau negatif - dalam kedudukan tertentu, ejen luaran mesti melakukan kerja. Jika tidak, mereka cenderung untuk memisahkan.

Kerja ini disimpan di jalan di mana bebannya terletak. Semakin dekat banyak tanda yang sama, semakin besar tenaga berpotensi konfigurasi. Ia berlaku sebaliknya apabila ia datang kepada beban tanda yang berbeza; Ketika mereka menarik, semakin dekat mereka, tenaga yang kurang berpotensi mereka ada.

Tenaga berpotensi nuklear

Atom helium anggaran. Dalam nukleus proton diwakili dengan warna merah dan neutron berwarna biru.

Nukleus atom terdiri proton dan neutron, secara umum dipanggil Nukleon. Bekas mempunyai caj elektrik positif dan yang terakhir adalah neutral.

Oleh kerana mereka agglomerated dalam ruang kecil di luar imaginasi, dan mengetahui bahawa beban tanda yang sama ditolak, patut ditanya bagaimana nukleus atom tetap kohesif.

Jawapannya adalah dalam kuasa lain selain penolakan elektrostatik, tipikal nukleus, seperti interaksi nuklear yang kuat dan interaksi nuklear yang lemah. Ini adalah daya yang sangat kuat, yang jauh melebihi daya elektrostatik.

Tenaga berpotensi kimia

Bentuk tenaga berpotensi ini berasal dari bagaimana atom dan bahan molekul tersedia, mengikut jenis ikatan kimia yang berlainan.

Apabila tindak balas kimia diberikan, tenaga ini dapat diubah menjadi jenis lain, contohnya oleh bateri elektrik atau bateri.

Contoh tenaga berpotensi

Tenaga berpotensi hadir dalam kehidupan seharian dalam banyak aspek. Memerhatikan kesannya semudah meletakkan objek pada ketinggian tertentu dan mempunyai kepastian bahawa ia dapat menggulung atau jatuh pada bila -bila masa.

Berikut adalah beberapa manifestasi jenis tenaga yang berpotensi yang sebelum ini diterangkan:

-Roller coaster

-Kereta atau bola bergolek menuruni bukit

-Busur dan anak panah

-Bateri elektrik

-Pendulum jam

Apabila salah satu sfera yang melampau ditetapkan, pergerakan itu dihantar kepada yang lain. Sumber: Pixabay.

-Ayunan di ayunan

-Sembuh

-Gunakan pena yang boleh ditarik balik.

Lihat: Contoh tenaga berpotensi.

Pengiraan tenaga yang berpotensi

Tenaga yang berpotensi bergantung kepada kerja yang membuat kekuatan dan ini pula tidak bergantung kepada trajektori, maka ia dapat disahkan bahawa:

-Sekiranya A dan B adalah dua mata, kerja W_Ab  perlu pergi dari A ke B, ia sama dengan kerja yang diperlukan untuk pergi dari b ke a. Oleh itu: W_Ab = W_Ba, Jadi:

W_Ab + W_Ba = 0

-Dan jika dua trajektori yang berbeza 1 dan 2 diuji untuk menyertai mata ini A dan B, kerja yang dilakukan dalam kedua -dua kes juga sama:

 W₁ = W₂.

Walau apa pun, objek mengalami perubahan dalam tenaga yang berpotensi:

Perubahan = Tenaga Potensi Akhir - Tenaga Potensi Awal

ΔU = u_final - Atau_permulaan = U_B - Atau_Ke

Nah, tenaga berpotensi objek ditakrifkan sebagai negatif kerja yang dilakukan secara paksa (konservatif):

ΔU = -W_Ab

Tetapi sebagai kerja ditakrifkan oleh integral ini:

Boleh melayani anda: 31 jenis daya dalam fizik dan ciri mereka

Di mana F dan dr (dengan berani atau anak panah) masing -masing adalah vektor kekuatan dan anjakan. Dengan ini, perubahan tenaga berpotensi adalah negatif dari integral ini:

Bagi kekuatan konservatif seperti yang diterangkan, integral mudah dikira. 

Perhatikan bahawa unit tenaga berpotensi adalah sama seperti yang bekerja. Dalam sistem antarabangsa jika unit itu adalah joule, yang disingkat dan setara dengan 1 Newton x Metro, oleh ahli fizik Inggeris James Joule (1818-1889).

Unit lain untuk tenaga termasuk ergio dalam sistem CGS, pound-fork x foot, btu (Unit Thermal British), kalori dan kilowatt-hora.

Mari lihat beberapa kes tertentu bagaimana mengira tenaga yang berpotensi.

Pengiraan tenaga potensi graviti

Di sekitar permukaan bumi, daya graviti titik secara menegak dan magnitudnya diberikan oleh persamaan Berat = graviti massa x.

Menandakan paksi menegak dengan huruf "y" dan menyerahkan ke alamat ini vektor unit J, positif dan negatif, perubahan tenaga berpotensi apabila badan bergerak dari y = y_Ke sehingga y = y_B adalah:

Di mana m mewakili badan badan dan g Nilai pecutan graviti. Sekiranya anda dipilih dan_Ke = 0 Sebagai tahap rujukan di atas tanah, di mana anda ditetapkan sebagai 0, anda mempunyai:

U (y) = mgy

Pengiraan tenaga berpotensi elastik

Undang -undang Hooke memberitahu kita bahawa kekuatan adalah berkadar dengan ubah bentuk:

F = -K.x

Di sini x Ia adalah ubah bentuk dan k Ia adalah pemalar musim bunga, yang menunjukkan betapa tegasnya. Melalui ungkapan ini, tenaga berpotensi elastik dikira, dengan mengambil kira bahawa Yo Ia adalah vektor unit dalam arah mendatar:

Semasa memilih Atau_Ke = 0 dalam  x_Ke, Ungkapan sebelumnya adalah fungsi U (x) Untuk tenaga berpotensi musim bunga:

U (x) = ½ kx²

Pengiraan tenaga berpotensi elektrostatik

Apabila anda mempunyai cas elektrik tepat pada masanya, ia menghasilkan medan elektrik yang melihat beban tepat pada masanya q, Dan apa yang berfungsi ketika bergerak dari satu kedudukan ke tempat lain di tengah -tengah padang. Daya elektrostatik antara dua beban tertentu mempunyai arah radial, dilambangkan melalui vektor unit r:

 Di sini k_dan Ia adalah elektrostatik atau tetap coulomb, yang nilainya k_dan ≈ 9 x 10⁹  N.m² /C² Dalam unit sistem antarabangsa. Ia mengikutinya:

 Memilih u = 0 ketika r_Ke → ∞, kekal:

Latihan yang diselesaikan

- Latihan 1: Musim bunga yang terbentang

Musim bunga yang berterusan k = 10.0 N/cm pada mulanya membentang 1.00 cm dari panjang keseimbangannya. Diminta untuk mengira tenaga tambahan yang diperlukan untuk meregangkan musim bunga sehingga 5.00 cm melebihi panjang keseimbangannya.

Penyelesaian 

Secara langsung menggantikan x = 1.00 cm dalam persamaan untuk u (x).CM, tetapi sentimeter mesti menjadi meter untuk mendapatkan tenaga dalam joules:

U (1) = 0.5 x 10.0 n/cm x (1.00 cm)² = 5 n. cm = 0.05 j; U (5) = 0.5 x 10.0 n/cm x (5.00 cm)² = 125 n.cm = 1.25 J

Oleh itu perbezaan tenaga yang dicari adalah 1.25 - 0.05 j = 1.20 j.

- Latihan 2: Konservatif dan tidak konservatif

Blok kecil dari titik A dibebaskan dari rehat, sehingga ia tergelincir di sepanjang jalan melengkung tanpa geseran ke titik b. Dari situ ia memasuki permukaan mendatar yang panjang, dengan pekali geseran dinamik μ_k = 0.2. Cari pada jarak dari titik b berhenti, dengan mengandaikan bahawa h_Ke= 3m.

Boleh melayani anda: Barrada Spiral Galaxy: Pembentukan, Evolusi, Ciri -ciriRajah untuk Contoh 1. Sumber: f. Zapata.

Penyelesaian 

Apabila blok berada pada ketinggian h_Ke Mengenai lantai, ia mempunyai tenaga potensi graviti kerana ketinggiannya. Setelah melepaskan, tenaga berpotensi ini secara beransur -ansur menjadi tenaga kinetik, dan ketika ia tergelincir melalui jalan melengkung yang licin, kelajuannya semakin meningkat.

Semasa perjalanan dari A ke B, persamaan pergerakan rectilinear yang bervariasi seragam tidak dapat digunakan. Walaupun graviti bertanggungjawab untuk pergerakan blok, pergerakan yang pengalaman ini lebih kompleks, kerana trajektori tidak rectilinear.

Pemuliharaan Tenaga di Laluan AB

Walau bagaimanapun, kerana graviti adalah daya konservatif dan di jalan tidak ada geseran, pemuliharaan tenaga mekanikal boleh digunakan untuk mencari kelajuan apabila ia mencapai hujung jalan:

Tenaga mekanikal di a = tenaga mekanikal dalam b

m.g.h_Ke + ½ m.v_Ke² = m.g.h_B + ½ m.v_B²

Ungkapannya dipermudahkan dengan memerhatikan bahawa jisim muncul dalam setiap istilah. Dibebaskan dari rehat v_Ke = 0. Dan h_B Ia berada di aras tanah, h_B = 0. Dengan penyederhanaan ini, ungkapan dikurangkan kepada:

v_B² = Gh_Ke

Kerja yang dilakukan dengan menggosok di bahagian SM

Sekarang blok memulakan laluannya di bahagian kasar dengan kelajuan ini dan akhirnya berhenti di titik c. Oleh itu v_C = 0. Tenaga mekanikal tidak lagi dipelihara, kerana geseran adalah daya dissipative, yang telah melakukan pekerjaan di blok yang diberikan oleh:

W_sentuh = -Frue geseran x jarak perjalanan

Kerja ini mempunyai tanda negatif, kerana geseran kinetik melambatkan ke objek, menentang pergerakannya. Besarnya geseran kinetik F_k  adalah:

F_k = μ_k .N

Di mana n adalah magnitud daya normal. Daya normal dikenakan oleh permukaan di blok, dan sejak permukaannya benar -benar mendatar, kerana ia mengimbangi berat badan P = mg, Oleh itu magnitud yang normal adalah:

N = mg

Apa yang membawa kepada:

F_k = μ_k .mg

Kerja itu F_k Dibuat di blok adalah: W_k = - f_k .D =- μ_k .mg.D.

Pengiraan perubahan tenaga mekanikal

Kerja ini bersamaan dengan perubahan tenaga mekanikal, dikira seperti ini:

Tenaga mekanikal di C - Tenaga mekanikal di b =

ΔE_m = (U_C +K_C)- (atau_B + K_B) = - μ_k .mg.D

Dalam persamaan ini terdapat beberapa istilah yang dibatalkan: k_C = 0, kerana blok berhenti di c dan juga dibatalkan u_C = U_B, kerana menjadi titik ini di aras tanah. Hasil Penyederhanaan di:

- K_B = - μ_k .m.g.D

½ m.v_B² = μ_k .m.g.D

Adunan dibatalkan lagi dan boleh diperolehi seperti berikut:

D = (½ v_B²)/(μ_k . G) = (½ v_B²)/(μ_k . g) = (½g.h_Ke)/(μ_k . g) = (½h_Ke)/μ_k = 0.5 x 3 m / 0.2 = 7.5m

Rujukan

1. Bauer, w. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. MC Graw Hill.
2. Figueroa, d. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 2. Dinamik. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, d.  2006. Fizik: Prinsip dengan aplikasi. 6th. Ed Prentice Hall.
4. Knight, r.  2017. Fizik untuk saintis dan kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson. 
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizik universiti dengan fizik moden. Ke -14. Ed. Jilid 1-2.