V naší každodenní zkušenosti chápeme a používáme slovo energie jako něco, co vždy souvisí s pohybem. Například, aby auto fungovalo, potřebuje palivo, aby lidé mohli pracovat a plnit své každodenní úkoly, které musí jíst. Zde spojujeme palivo i jídlo s energií. Od této chvíle přejdeme k přesnější definici energie.
Pohyb automobilu, osoby nebo jakéhokoli předmětu má energii, tato energie související s pohybem se nazývá kinetická energie. Pohybující se tělo, které má kinetickou energii, může dělat práci tím, že přichází do styku s jiným tělem nebo předmětem a přenáší energii do něj.
Objekt v klidu však může mít také energii, což je nedostatečné pro to, aby se pojem energie spojil s pohybem. Například objekt v klidu v určité výšce od země má energii. Když je tento objekt opuštěn, zahájí pohyb a časem se zvýší rychlost protože váhová síla dělá práci a nutí ji k pohybu, to znamená, že získává energii kinetika. V klidovém objektu se říká, že má energii zvanou gravitační potenciální energie, která se mění podle jeho výšky ve vztahu k zemi.
Další formou energie je elastická potenciální energie přítomná ve stlačené nebo napnuté pružině. Když stlačíme nebo napneme pružinu, provedeme práci, abychom dosáhli deformace, a můžeme ji poté pozorovat uvolněna, pružina získá pohyb - kinetickou energii - a vrátí se do své původní polohy, kde nebyla napnutá nebo stlačený.
Přesněji tedy můžeme říci, že kinetická energie je energie nebo schopnost vykonávat práce způsobená pohybem a touto potenciální energií je energie nebo schopnost vykonávat práci pozice.
V mechanice existují dvě formy potenciální energie: jedna spojená s prací na váze, nazývaná energie gravitační potenciál a další související s prací pružné síly, kterou je potenciální energie elastický. Nyní pojďme studovat tyto dvě formy potenciální energie podrobněji.
1. Gravitační potenciální energie
Je to energie spojená s pozicí, ve které je tělo. Podívejte se na obrázek 1 a zvažte těleso hmotnosti m zpočátku v klidu v bodě b. Tělo je ve výšce h ve vztahu k zemi a. Když je váha opuštěna z klidu, díky své hmotnosti vykonává práci na těle a získává kinetickou energii, to znamená, že se začíná pohybovat.
Práce, kterou váha koule dělá, nám umožňuje měřit gravitační potenciální energii, takže pojďme vypočítat práci.
Když vezmeme v úvahu bod a jako referenční bod, posunutí z b do a je dáno h, modul síly síly je dán P = m.g a o úhel mezi směrem působení silové hmotnosti a posunutím α = 0 °, protože oba jsou ve stejném směru, stačí použít definici práce (τ):
τ = F.d.cosα
Pokud se F rovná silové hmotnosti P = mg, posun d = h a α = 0 ° (cos 0 ° = 1), dosazením do rovnice 1, budeme mít:
τ = F.d.cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Energie, která souvisí s polohou objektu vůči zemi, gravitační potenciální energie, se tedy vypočítá z:
AP= m.g.h.
Rovnice 2: Gravitační potenciální energie
O tom, co:
Ep: gravitační potenciální energie;
g: gravitační zrychlení;
m: tělesná hmotnost.
2. Elastická potenciální energie
Uvažujme systém pružina-hmota na obrázku 2, kde máme tělo s hmotou m připojené k pružině s elastickou konstantou k. Abychom pružinu deformovali, musíme udělat práci, protože ji musíme tlačit nebo natahovat. Když to uděláme, pružina získá elastickou potenciální energii a po uvolnění se vrátí zpět do své původní polohy, kde nedochází k žádné deformaci.
Abychom získali matematické vyjádření elastické potenciální energie, musíme postupovat stejným způsobem jako u gravitační potenciální energie. Poté získáme vyjádření elastické potenciální energie uložené v systému hmotné pružiny prací, kterou elastická síla působí na blok.
Když je systém hmotné pružiny v bodě A, nedochází k žádné deformaci pružiny, to znamená, že není ani natažen, ani stlačen. Když jej tedy natáhneme na B, objeví se síla, nazývaná elastická síla, která způsobí, že se po opuštění vrátí do své původní polohy A. Modul pružné síly vyvíjené pružinou na blok je dán Hookeovým zákonem:
Fel = k.x.
Kde Fel označuje elastickou sílu, k je elastická konstanta pružiny a x je hodnota kontrakce nebo prodloužení pružiny.
Práce pružné síly pro posun d = x je dána vztahem:
Energie spojená s prací pružné síly, elastická potenciální energie, je tedy také dána:
O tom, co:
Úhoř: elastická potenciální energie;
k: pružinová konstanta;
x: deformace pružiny.
Je pozorováno, že koule hmotnosti m zavěšená ve vztahu k zemi a systému pružina-hmota, když je natažená nebo stlačené, mají schopnost dělat práci, protože díky nim mají uloženou energii pozice. Tato energie uložená v důsledku polohy se nazývá Potenciální energie.
Autor: Nathan Augusto
Vystudoval fyziku
Zdroj: Brazilská škola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm