Napi tapasztalataink szerint megértjük és használjuk az energia szót, mint mindig a mozgáshoz kapcsolódó dolgot. Például ahhoz, hogy egy autó működjön, üzemanyagra van szüksége, hogy az emberek dolgozhassanak és elvégezhessék napi feladataikat, amelyeket meg kell enniük. Itt mind az üzemanyagot, mind az ételt összekapcsoljuk az energiával. Mostantól haladunk az energia pontosabb meghatározása felé.
Egy autó, egy személy vagy bármely tárgy mozgásának van energiája, ezt a mozgással kapcsolatos energiát kinetikus energiának nevezzük. A mozgó energia, mozgási energiával rendelkezik, úgy tud munkát végezni, hogy kapcsolatba kerül egy másik testtel vagy tárggyal, és energiát ad át arra.
A nyugalmi helyzetben lévő tárgynak azonban energiája is lehet, ami miatt nem elegendő csupán az energia fogalmának a mozgáshoz való viszonyítása. Például egy tárgynak, amely a talajtól bizonyos magasságban van, nyugalomban van. Ez az objektum elhagyva elindul egy mozgással, és idővel növekszik a sebessége, ez bekövetkezik mert a súlyerő munkát végez és mozgásra készteti, vagyis energiát szerez kinetika. Azt mondják, hogy egy nyugalmi tárgyban van egy gravitációs potenciális energiának nevezett energia, amely a talajhoz viszonyított magassága szerint változik.
Az energia másik formája a rugalmas potenciálenergia, amely egy összenyomott vagy kifeszített rugóban van. Amikor egy rugót összenyomunk vagy kinyújtunk, a deformáció elérése érdekében munkát végezünk, és ezt követően megfigyelhetjük elengedve a rugó mozgást - kinetikus energiát - szerez, és visszatér eredeti helyzetébe, ahol nem volt kifeszítve vagy összenyomva.
Pontosabban elmondhatjuk tehát, hogy a kinetikus energia a teljesítés energiája vagy képessége a mozgás miatti munka, és hogy a potenciális energia a miatti munka elvégzéséhez szükséges energia vagy képesség pozíció.
A mechanikában a potenciális energia két formája létezik: az egyik a súlymunkához kapcsolódik, az úgynevezett energia gravitációs potenciál, és egy másik a rugalmas erő munkájához kapcsolódik, amely a potenciális energia rugalmas. Most tanulmányozzuk részletesebben a potenciális energia e két formáját.
1. Gravitációs potenciális energia
Ez az energia kapcsolódik a test helyzetéhez. Nézze meg az 1. ábrát, és vegye figyelembe az m tömeg testét, amely kezdetben nyugalmi helyzetben van a b pontban. A test a talajhoz képest h magasságban van. Ha elhagyják a nyugalomtól, tömegéből adódóan a súlyerő munkát végez a testen, és kinetikus energiát szerez, vagyis mozogni kezd.
A gömb súlya által végzett munka lehetővé teszi számunkra a gravitációs potenciális energia mérését, ezért számítsuk ki a munkát.
Az a pontot tekintve referenciapontnak, a b-ből a-ba történő elmozdulást h adja meg, az erő súlymodulját P = m.g és o adja meg. az erő súlyának iránya és az α = 0º elmozdulás közötti szög, mivel mindkettő ugyanabban az irányban van, csak alkalmazza a munka (τ):
τ = F.d. cosα
Ha F megegyezik a P = mg erő tömegével, a d = h és α = 0º (cos 0º = 1) elmozdulás, az 1. egyenlet helyébe lépve:
τ = F.d. cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Így azt az energiát, amely egy objektum helyzetét a talajhoz viszonyítja, a gravitációs potenciál energiát az alábbiakkal számoljuk:
ÉSP= m.g.h
2. egyenlet: Gravitációs potenciális energia
Mire:
Ep: gravitációs potenciális energia;
g: gravitációs gyorsulás;
m: testtömeg.
2. Rugalmas potenciális energia
Tekintsük a 2. ábra rugótömeg-rendszerét, ahol m tömegű testünk van rögzítve a k állandó állandó rugóhoz. A rugó deformálásához munkát kell végeznünk, mivel meg kell nyomnunk vagy kinyújtanunk. Amikor ezt megtesszük, a rugó rugalmas potenciális energiát szerez, és elengedve visszaköltözik kiinduló helyzetébe, ahol nem volt deformáció.
A rugalmas potenciális energia matematikai kifejezésének megszerzéséhez ugyanúgy kell eljárnunk, mint a gravitációs potenciális energiának. Ezután megkapjuk a tömeg-rugó rendszerben tárolt elasztikus potenciál energia kifejeződését azzal a munkával, amelyet a rugalmas erő kifejt a blokkon.
Ha a tömegrugós rendszer az A pontban van, akkor a rugóban nincs deformáció, vagyis nincs sem megnyújtva, sem összenyomva. Így amikor B-re nyújtjuk, megjelenik egy erő, amelyet rugalmas erőnek nevezünk, ami miatt elhagyva visszatér A-ba, kezdeti helyzetébe. A rugó által a blokkra kifejtett rugalmas erő modulusát Hooke-törvény adja meg:
Fel = k.x
Ahol Fel a rugalmassági erőt jelöli, k a rugó rugalmas állandója, x pedig a rugó összehúzódásának vagy megnyúlásának értéke.
A d = x elmozdulás elasztikus erejének munkáját a következő adja:
Tehát a rugalmas erő munkájához, az elasztikus potenciális energiához kapcsolódó energiát szintén az adja:
Mire:
Angolna: rugalmas potenciális energia;
k: rugóállandó;
x: rugódeformáció.
Megfigyelhető, hogy az m tömeggömb a talajhoz és a rugótömeg-rendszerhez képest felfüggesztve, ha megnyújtva vagy összenyomva, képesek munkát végezni, mivel az energiájuk miatt vannak pozíció. Ezt a helyzet miatt tárolt energiát potenciális energiának nevezzük.
Írta: Nathan Augusto
Fizikából végzett
Forrás: Brazil iskola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm