In onze dagelijkse ervaring begrijpen en gebruiken we het woord energie als iets dat altijd met beweging te maken heeft. Om bijvoorbeeld een auto te laten werken, heeft hij brandstof nodig, om te kunnen werken en om hun dagelijkse taken uit te voeren, moeten ze eten. Hier associëren we zowel brandstof als voedsel met energie. Van nu af aan gaan we naar een preciezere definitie van energie.
De beweging van een auto, een persoon of een object heeft energie, deze energie gerelateerd aan beweging wordt kinetische energie genoemd. Een bewegend lichaam, dat kinetische energie bezit, kan werk doen door in contact te komen met een ander lichaam of object en er energie aan over te dragen.
Een object in rust kan echter ook energie hebben, waardoor het onvoldoende is om alleen het concept energie te relateren aan beweging. Een object in rust op een bepaalde hoogte van de grond heeft bijvoorbeeld energie. Dit object begint, wanneer het wordt achtergelaten, een beweging en neemt in de loop van de tijd in snelheid toe, dit gebeurt omdat de gewichtskracht zijn werk doet en het laat bewegen, dat wil zeggen, het verwerft energie kinetiek. Van een object in rust wordt gezegd dat het een energie heeft die gravitatie-potentiële energie wordt genoemd en die varieert afhankelijk van zijn hoogte ten opzichte van de grond.
Een andere vorm van energie is elastische potentiële energie, aanwezig in een samengedrukte of uitgerekte veer. Wanneer we een veer samendrukken of uitrekken, voeren we werkzaamheden uit om de vervorming te bereiken en we kunnen dat na, losgelaten, krijgt de veer beweging - kinetische energie - en keert terug naar zijn oorspronkelijke positie waar hij niet was uitgerekt of gecomprimeerd.
Dus meer specifiek kunnen we zeggen dat kinetische energie de energie of het vermogen is om te presteren werk door beweging en die potentiële energie is de energie of het vermogen om werk te doen als gevolg van: positie.
In de mechanica zijn er twee vormen van potentiële energie: een die verband houdt met gewichtsarbeid, energie genoemd zwaartekrachtpotentieel, en een ander gerelateerd aan het werk van de elastische kracht, wat de potentiële energie is elastisch. Laten we nu deze twee vormen van potentiële energie in meer detail bestuderen.
1. Gravitatie potentiële energie
Het is de energie die hoort bij de positie waarin het lichaam zich bevindt. Kijk naar figuur 1 en beschouw het massalichaam m aanvankelijk in rust op punt b. Het lichaam bevindt zich op een hoogte h ten opzichte van de grond a. Wanneer het uit rust wordt gelaten, voert de gewichtskracht vanwege zijn massa werk uit op het lichaam en verwerft het kinetische energie, dat wil zeggen, het begint te bewegen.
Het werk dat het gewicht van de bol doet, stelt ons in staat om de zwaartekracht potentiële energie te meten, dus laten we de arbeid berekenen.
Als punt a als referentiepunt wordt beschouwd, wordt de verplaatsing van b naar a gegeven door h, de modulus van krachtgewicht wordt gegeven door P = m.g en o hoek tussen de richting van toepassing van het krachtgewicht en de verplaatsing α = 0º, aangezien beide in dezelfde richting zijn, pas de definitie van werk (τ):
τ=F.d.cosα
Als F gelijk is aan het krachtgewicht P=mg, de verplaatsing d = h en α = 0º (cos 0º = 1), vervangend in vergelijking 1, hebben we:
τ=F.d.cosα
τ=m.g.h.cos 00
τ=m.g.h
Dus de energie die de positie van een object met de grond relateert, Gravitational Potential Energy, wordt berekend door:
ENP= mgh
Vergelijking 2: Gravitatie Potentiële Energie
Op wat:
Ep: zwaartekracht potentiële energie;
g: zwaartekrachtversnelling;
m: lichaamsmassa.
2. Elastische potentiële energie
Beschouw het veer-massasysteem in figuur 2, waar we een lichaam hebben met massa m bevestigd aan een veer met elastische constante k. Om de veer te vervormen, moeten we een klusje klaren, omdat we hem moeten duwen of strekken. Wanneer we dit doen, verwerft de veer elastische potentiële energie en, wanneer deze wordt losgelaten, keert hij terug naar zijn oorspronkelijke positie, waar er geen vervorming was.
Om de wiskundige uitdrukking van de elastische potentiële energie te verkrijgen, moeten we op dezelfde manier te werk gaan als voor de zwaartekracht potentiële energie. Vervolgens zullen we de uitdrukking verkrijgen van de elastische potentiële energie opgeslagen in een massa-veersysteem door de arbeid die de elastische kracht op het blok uitoefent.
Wanneer het massa-veersysteem zich in punt A bevindt, is er geen vervorming in de veer, dat wil zeggen, deze wordt niet uitgerekt of samengedrukt. Dus wanneer we het naar B uitrekken, verschijnt er een kracht, elastische kracht genaamd, die ervoor zorgt dat het terugkeert naar A, zijn oorspronkelijke positie, wanneer het wordt verlaten. De modulus van de elastische kracht die door de veer op het blok wordt uitgeoefend, wordt gegeven door de wet van Hooke:
Fel = k.x
Waar Fel de elastische kracht aangeeft, is k de elastische constante van de veer en is x de waarde van de samentrekking of verlenging van de veer.
De arbeid van de elastische kracht voor een verplaatsing d = x wordt gegeven door:
Dus de energie geassocieerd met het werk van elastische kracht, elastische potentiële energie, wordt ook gegeven door:
Op wat:
Paling: elastische potentiële energie;
k: veerconstante;
x: vervorming van de veer.
Opgemerkt wordt dat de bol met massa m opgehangen ten opzichte van de grond en het veer-massasysteem, wanneer uitgerekt of gecomprimeerd, hebben het vermogen om werk te doen, omdat ze energie hebben opgeslagen vanwege hun positie. Deze energie die door positie wordt opgeslagen, wordt potentiële energie genoemd.
Door Nathan Augusto
Afgestudeerd in natuurkunde
Bron: Brazilië School - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm