I vores daglige erfaring forstår vi og bruger ordet energi som noget, der altid er relateret til bevægelse. For at en bil skal arbejde, har den for eksempel brug for brændstof, for mennesker at arbejde og udføre deres daglige opgaver, de skal spise. Her forbinder vi både brændstof og mad med energi. Fra nu af vil vi bevæge os mod en mere præcis definition af energi.
Bevægelsen af en bil, en person eller ethvert objekt har energi. Denne energi relateret til bevægelse kaldes kinetisk energi. En bevægende krop, der har kinetisk energi, kan udføre arbejde ved at komme i kontakt med en anden krop eller genstand og overføre energi til den.
Imidlertid kan et objekt i hvile også have energi, hvilket gør det utilstrækkeligt bare at relatere begrebet energi til bevægelse. For eksempel har en genstand i hvile i en bestemt højde fra jorden energi. Dette objekt, når det opgives, starter en bevægelse og øges i hastighed over tid, dette sker fordi vægtkraften gør et job og får det til at bevæge sig, det vil sige, det erhverver energi kinetik. Et objekt i hvile siges at have en energi kaldet tyngdepotentialenergi, som varierer alt efter dens højde i forhold til jorden.
En anden form for energi er elastisk potentiel energi, der findes i en komprimeret eller strakt fjeder. Når vi komprimerer eller strækker en fjeder, udfører vi arbejde for at opnå deformationen, og vi kan observere det efter frigivet, får fjederen bevægelse - kinetisk energi - og vender tilbage til sin oprindelige position, hvor den ikke blev strakt eller komprimeret.
Så mere specifikt kan vi sige, at kinetisk energi er energien eller evnen til at udføre arbejde på grund af bevægelse, og at potentiel energi er energien eller evnen til at udføre arbejde på grund af position.
I mekanik er der to former for potentiel energi: en forbundet med vægtarbejde, kaldet energi tyngdepotentiale og et andet relateret til den elastiske kraft, som er den potentielle energi elastisk. Lad os nu studere disse to former for potentiel energi mere detaljeret.
1. Gravitationspotentiel energi
Det er den energi, der er forbundet med den position, hvor kroppen er. Se på figur 1 og overvej massen m, der oprindeligt var i ro ved punkt b. Kroppen er i en højde h i forhold til jorden a. Når den forlades fra hvile på grund af dens masse, udfører vægtkraften arbejde på kroppen, og den erhverver kinetisk energi, det vil sige den begynder at bevæge sig.
Det arbejde, som kuglens vægt gør, giver os mulighed for at måle tyngdepotentialenergien, så lad os beregne arbejde.
I betragtning af punkt a som referencepunkt er forskydningen fra b til a givet af h, hvor kraftvægtens modul er givet af P = m.g og o vinkel mellem påføringsretningen for kraftvægten og forskydningen α = 0º, da begge er i samme retning, skal du bare anvende definitionen af arbejde (τ):
τ = F.d. cosα
Hvis F er lig med kraftvægten P = mg, forskydningen d = h og α = 0º (cos 0º = 1), der erstatter i ligning 1, har vi:
τ = F.d. cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Således beregnes den energi, der relaterer et objekts position til jorden, Gravitational Potential Energy, af:
OGP= m.g.h
Ligning 2: Gravitationspotentiel energi
På hvilke:
Ep: gravitationspotentiel energi;
g: tyngdeacceleration;
m: kropsmasse.
2. Elastisk potentiel energi
Overvej fjedermassesystemet i figur 2, hvor vi har en krop med masse m knyttet til en fjeder med elastisk konstant k. For at deformere fjederen skal vi udføre et job, da vi skal skubbe eller strække det. Når vi gør dette, får fjederen elastisk potentiel energi og bevæger sig, når den frigøres, tilbage til sin oprindelige position, hvor der ikke var nogen deformation.
For at opnå det matematiske udtryk for den elastiske potentialenergi, skal vi fortsætte på samme måde som for gravitationspotentialenergien. Derefter får vi udtryk for den elastiske potentielle energi, der er lagret i et massefjedersystem ved det arbejde, som den elastiske kraft udøver på blokken.
Når massefjedersystemet er ved punkt A, er der ingen deformation i fjederen, dvs. det er hverken strakt eller komprimeret. Når vi således strækker den til B, vises en kraft, kaldet elastisk kraft, som får den til at vende tilbage til A, sin oprindelige position, når den opgives. Modulet af den elastiske kraft, der udøves af fjederen på blokken, er givet af Hookes lov:
Fel = k.x
Hvor Fel angiver den elastiske kraft, er k fjederens elastiske konstant, og x er værdien af fjederens sammentrækning eller forlængelse.
Arbejdet med den elastiske kraft til en forskydning d = x er givet ved:
Således er energien forbundet med arbejdet med elastisk kraft, Elastic Potential Energy, også givet af:
På hvilke:
Ål: elastisk potentiel energi;
k: fjeder konstant;
x: fjederdeformation.
Det observeres, at massesfæren m er ophængt i forhold til jorden og fjedermassesystemet, når den strækkes eller komprimeret, har evnen til at udføre arbejde, da de har lagret energi på grund af deres position. Denne energi lagret på grund af position kaldes Potential Energy.
Af Nathan Augusto
Uddannet i fysik
Kilde: Brasilien skole - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm