Savo kasdienėje patirtyje mes suprantame ir vartojame žodį energija, kaip visada susijusį su judesiu. Pavyzdžiui, norint, kad automobilis veiktų, jam reikia degalų, kad žmonės dirbtų ir atliktų kasdienes užduotis, kurias jie turi valgyti. Čia tiek energiją, tiek maistą siejame. Nuo šiol pereisime prie tikslesnio energijos apibrėžimo.
Automobilio, žmogaus ar bet kokio objekto judėjimas turi energijos, ši su judėjimu susijusi energija vadinama kinetine energija. Judantis kūnas, turintis kinetinę energiją, gali dirbti, kontaktuodamas su kitu kūnu ar daiktu ir perduodamas jam energiją.
Tačiau ramybės būsenoje esantis objektas taip pat gali turėti energijos, todėl jos nepakanka vien tik energijos sampratai susieti su judesiu. Pavyzdžiui, objektas, esantis ramybės būsenoje tam tikrame aukštyje nuo žemės, turi energijos. Šis objektas, apleistas, pradeda judėti ir laikui bėgant didėja, tai atsitinka nes svorio jėga atlieka darbą ir priverčia jį judėti, tai yra įgauna energijos kinetika. Sakoma, kad ramybėje esantis objektas turi energiją, vadinamą gravitacijos potencialo energija, kuri skiriasi atsižvelgiant į jo aukštį žemės atžvilgiu.
Kita energijos forma yra elastinga potenciali energija, esanti suspaustoje ar ištemptoje spyruoklėje. Suspausdami ar ištempdami spyruoklę, mes atliekame darbą, kad pasiektume deformaciją, ir galime tai pastebėti po to paleistas, spyruoklė įgauna judesį - kinetinę energiją - ir grįžta į pradinę padėtį ten, kur nebuvo ištempta ar suspaustas.
Taigi, konkrečiau, galime pasakyti, kad kinetinė energija yra energija ar sugebėjimas atlikti darbas dėl judėjimo ir kad potenciali energija yra energija ar sugebėjimas dirbti dėl poziciją.
Mechanikoje yra dvi potencialios energijos formos: viena susijusi su svorio darbu, vadinama energija gravitacinis potencialas, o kitas susijęs su elastinės jėgos, kuri yra potenciali energija, darbu elastinga. Dabar panagrinėkime šias dvi potencialios energijos formas išsamiau.
1. Gravitacinė potenciali energija
Tai energija, susijusi su kūno padėtimi. Pažvelkite į 1 paveikslą ir apsvarstykite m masės kūną, kuris iš pradžių yra ramybės būsenoje b taške. Kūnas yra h aukštyje žemės atžvilgiu a. Atsisakius poilsio, dėl savo masės svorio jėga atlieka kūno darbą ir jis įgyja kinetinę energiją, tai yra, pradeda judėti.
Darbas, kurį atlieka sferos svoris, leidžia išmatuoti gravitacijos potencialo energiją, todėl paskaičiuokime darbą.
Atsižvelgiant į tašką a kaip atskaitos tašką, poslinkį nuo b iki a pateikia h, o jėgos svorio modulį pateikia P = m.g ir o kampas tarp svorio jėgos veikimo krypties ir poslinkio α = 0º, nes abu yra ta pačia kryptimi, tiesiog pritaikykite darbas (τ):
Nesustokite dabar... Po reklamos yra daugiau;)
τ = F.d. cosα
Jei F yra lygus jėgos svoriui P = mg, poslinkis d = h ir α = 0º (cos 0º = 1), pakeičiant 1 lygtį, turėsime:
τ = F.d. cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Taigi energija, susiejanti objekto padėtį su žeme, gravitacinė potenciali energija, apskaičiuojama pagal:
IRP= m.g.h
2 lygtis: gravitacinė potenciali energija
Ant ko:
Ep: gravitacinė potencialo energija;
g: gravitacinis pagreitis;
m: kūno masė.
2. Elastinė potenciali energija
Panagrinėkime 2 paveiksle pateiktą spyruoklių masės sistemą, kur mes turime kūną, kurio masė m pritvirtinta prie elastingos konstantos k spyruoklės. Norėdami deformuoti spyruoklę, turime atlikti darbą, nes turime jį pastumti ar ištempti. Kai tai darome, spyruoklė įgauna elastinę potencialią energiją ir, atleista, grįžta į pradinę padėtį, kur nebuvo deformacijos.
Norėdami gauti elastinės potencialios energijos matematinę išraišką, turime elgtis taip pat, kaip ir gravitacijos potencialo energija. Tada mes gausime elastinės potencialo energijos, saugomos masės-spyruoklės sistemoje, išraišką atlikdami tą darbą, kurį elastinė jėga veikia ant bloko.
Kai masinės spyruoklės sistema yra taške A, spyruoklėje nėra deformacijos, tai yra, ji nėra nei ištempta, nei suspausta. Taigi, kai mes ištempiame jį į B, atsiranda jėga, vadinama elastine jėga, dėl kurios atsisakius ji grįžta į A, savo pradinę padėtį. Elastinės jėgos, kurią spyruoklė daro blokui, modulis yra pateiktas pagal Hooke'o dėsnį:
Fel = k.x
Kur Fel rodo elastinę jėgą, k yra elastinga spyruoklės konstanta, o x - spyruoklės susitraukimo ar pailgėjimo vertė.
Elastinės jėgos darbas poslinkiui d = x apskaičiuojamas taip:
Taigi energiją, susijusią su elastinės jėgos darbu, elastine potencialia energija, taip pat suteikia:
Ant ko:
Ungurys: elastinga potenciali energija;
k: pavasario konstanta;
x: spyruoklės deformacija.
Pastebima, kad rutulys, kurio masė m pakabinta žemės ir spyruoklinės masės sistemos atžvilgiu, kai ji yra ištempta arba suspausti, turi galimybę dirbti, nes dėl jų turi energijos poziciją. Ši dėl padėties sukaupta energija vadinama potencialia energija.
Autorius Nathanas Augusto
Baigė fiziką
