אנרגיה פוטנציאלית כוח משיכה ואלסטית. אנרגיה פוטנציאלית

בחוויה היומיומית שלנו אנו מבינים ומשתמשים במילה אנרגיה כמשהו שקשור תמיד לתנועה. למשל, כדי שמכונית תעבוד היא זקוקה לדלק, שבני אדם יעבדו ויבצעו את המשימות היומיומיות שלהם עליהם לאכול. כאן אנו מקשרים הן דלק והן אוכל לאנרגיה. מעכשיו נעבור לקראת הגדרה מדויקת יותר של אנרגיה.

 לתנועה של מכונית, אדם או כל חפץ יש אנרגיה, אנרגיה זו הקשורה לתנועה נקראת אנרגיה קינטית. גוף נע, בעל אנרגיה קינטית, יכול לבצע עבודה על ידי מגע עם גוף או אובייקט אחר והעברת אנרגיה אליו.

עם זאת, לאובייקט במנוחה יכול להיות גם אנרגיה, מה שהופך אותו למספיק רק לקשר בין מושג האנרגיה לתנועה. לדוגמא, לאובייקט במנוחה בגובה מסוים מהקרקע יש אנרגיה. אובייקט זה, כאשר הוא נטוש, מתחיל תנועה ועולה במהירות לאורך זמן, זה קורה מכיוון שכוח המשקל עושה עבודה וגורם לו לצאת לתנועה, כלומר הוא רוכש אנרגיה קינטיקה. על אובייקט במנוחה יש אנרגיה הנקראת אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, המשתנה בהתאם לגובהו ביחס לקרקע.

צורה אחרת של אנרגיה היא אנרגיה פוטנציאלית אלסטית, הנמצאת בקפיץ דחוס או נמתח. כשאנחנו דוחסים או מותחים קפיץ, אנחנו מבצעים עבודה כדי להשיג את העיוות ואנחנו יכולים לראות את זה אחרי הקפיץ רוכש תנועה - אנרגיה קינטית - וחוזר למצב ההתחלתי בו לא נמתח או דָחוּס.

לכן, באופן ספציפי יותר, אנו יכולים לומר כי אנרגיה קינטית היא האנרגיה או היכולת לבצע עבודה עקב תנועה וכי אנרגיה פוטנציאלית היא האנרגיה או היכולת לבצע עבודה עקב עמדה.

במכניקה, ישנן שתי צורות של אנרגיה פוטנציאלית: אחת הקשורה לעבודה במשקל, הנקראת אנרגיה פוטנציאל הכבידה, ועוד אחד הקשור לעבודת הכוח האלסטי, שהוא האנרגיה הפוטנציאלית אֵלַסטִי. בואו נעבור את שתי צורות האנרגיה הפוטנציאלית הללו ביתר פירוט.

1. אנגריה פוטנציאלית של כוח המשיכה

זו האנרגיה הקשורה למצב בו הגוף נמצא. התבונן באיור 1 ושקול את גוף המסה m בתחילה במנוחה בנקודה b. הגוף נמצא בגובה h ביחס לקרקע a. כאשר הוא ננטש ממנוחה, בגלל מסתו, כוח המשקל מבצע עבודה על הגוף והוא רוכש אנרגיה קינטית, כלומר הוא מתחיל לנוע.

העבודה שמשקל הכדור עושה מאפשרת לנו למדוד את אנרגיית הפוטנציאל הכבידתי, אז בואו נחשב עבודה.

בהתחשב בנקודה a כנקודת הייחוס, העקירה מ- b ל- a ניתנת על ידי h, ומודולוס משקל הכוח ניתן על ידי P = מ"ג ו- o זווית בין כיוון ההפעלה של משקל הכוח לתזוזה α = 0º, שכן שניהם באותו כיוון, פשוט החל את ההגדרה של עבודה (τ):

אל תפסיק עכשיו... יש עוד אחרי הפרסום;)

τ = F.d.cos⁡α

אם F שווה למשקל הכוח P = mg, העקירה d = h ו- α = 0º (cos 0º = 1), המחליפים במשוואה 1, יהיה לנו:

τ = F.d.cos⁡α
τ = m.g.h.cos 0⁰

τ = m.g.h

לפיכך, האנרגיה המתייחסת למיקום אובייקט לקרקע, אנרגיה פוטנציאלית הכבידה, מחושבת על ידי:

AND_פ= m.g.h

משוואה 2: אנרגיה פוטנציאלית כבידה

על מה:

Ep: אנרגיה פוטנציאלית כבידתית;
ז: האצת גרביטציה;
מ ': מסת הגוף.

2. אנרגיה אלסטית פוטנציאלית

שקול את מערכת מסת הקפיץ באיור 2, שם יש לנו גוף עם מסה m המחובר לקפיץ של קבוע אלסטי k. כדי לעוות את הקפיץ עלינו לעשות עבודה, מכיוון שעלינו לדחוף או למתוח אותו. כאשר אנו עושים זאת, הקפיץ רוכש אנרגיה פוטנציאלית אלסטית וכאשר הוא משוחרר, הוא חוזר למצב ההתחלתי שלו, שם לא הייתה דפורמציה.

כדי להשיג את הביטוי המתמטי של האנרגיה הפוטנציאלית האלסטית עלינו להמשיך באותו אופן כמו שעשינו עבור אנרגיית הפוטנציאל הכבידה. לאחר מכן, נקבל את הביטוי של האנרגיה הפוטנציאלית האלסטית המאוחסנת במערכת קפיץ-מסה על ידי העבודה שהכוח האלסטי מפעיל על הבלוק.

כאשר מערכת קפיצי המסה נמצאת בנקודה A, אין דפורמציה בקפיץ, כלומר היא לא נמתחת ולא דחוסה. לפיכך, כאשר אנו מותחים אותו עד B, מופיע כוח, הנקרא כוח אלסטי, שגורם לו לחזור ל- A, מיקומו הראשוני, כאשר הוא נטוש. מודול הכוח האלסטי שמפעיל הקפיץ על הבלוק ניתן על ידי חוק הוק:

פל = k.x

כאשר פל מציין את הכוח האלסטי, k הוא הקבוע האלסטי של הקפיץ ו- x הוא ערך ההתכווצות או התארכות הקפיץ.

עבודת הכוח האלסטי לתזוזה d = x ניתנת על ידי:

לפיכך, האנרגיה הקשורה לעבודת הכוח האלסטי, אנרגיה פוטנציאלית אלסטית, ניתנת גם על ידי:

​

על מה:

צלופח: אנרגיה פוטנציאלית אלסטית;
k: קבוע קפיץ;
x: עיוות קפיץ.

נצפה כי כדור המסה m תלוי ביחס לאדמה ולמערכת קפיץ-האביב, כאשר הוא מתוח או דחוסים, בעלי יכולת לעשות עבודה, מכיוון שהם אגרו אנרגיה בזכותם עמדה. אנרגיה זו המאוחסנת בגלל המיקום נקראת פוטנציאל אנרגיה.

מאת נתן אוגוסטו
בוגר פיזיקה