W naszym codziennym doświadczeniu rozumiemy i używamy słowa energia jako czegoś zawsze związanego z ruchem. Na przykład, aby samochód działał, potrzebuje paliwa, aby ludzie mogli pracować i wykonywać swoje codzienne zadania, które muszą jeść. Tutaj zarówno paliwo, jak i żywność kojarzymy z energią. Od teraz przejdziemy do bardziej precyzyjnej definicji energii.
Ruch samochodu, osoby lub dowolnego przedmiotu ma energię, ta energia związana z ruchem nazywana jest energią kinetyczną. Poruszające się ciało, posiadające energię kinetyczną, może wykonywać pracę, wchodząc w kontakt z innym ciałem lub przedmiotem i przekazując mu energię.
Jednak obiekt w spoczynku może również mieć energię, co sprawia, że nie wystarczy powiązać pojęcia energii z ruchem. Na przykład obiekt w spoczynku na pewnej wysokości od ziemi ma energię. Ten obiekt, porzucony, rozpoczyna ruch i z czasem zwiększa prędkość, co ma miejsce bo siła ciężaru wykonuje pracę i wprawia go w ruch, czyli nabiera energii kinetyka. Mówi się, że obiekt w spoczynku ma energię zwaną grawitacyjną energią potencjalną, która zmienia się w zależności od jego wysokości w stosunku do podłoża.
Inną formą energii jest energia potencjalna sprężystości, występująca w ściśniętej lub rozciągniętej sprężynie. Kiedy ściskamy lub rozciągamy sprężynę, wykonujemy pracę, aby uzyskać odkształcenie i możemy to zaobserwować po zwolniona sprężyna nabiera ruchu – energii kinetycznej – i powraca do pozycji wyjściowej, w której nie była naciągnięta lub sprężony.
A więc konkretniej, możemy powiedzieć, że energia kinetyczna to energia lub zdolność do wykonywania praca dzięki ruchowi, a energia potencjalna to energia lub zdolność do wykonywania pracy dzięki pozycja.
W mechanice istnieją dwie formy energii potencjalnej: jedna związana z pracą z ciężarem, zwana energią potencjał grawitacyjny, a drugi związany z pracą siły sprężystej, czyli energia potencjalna elastyczny. Przyjrzyjmy się teraz bardziej szczegółowo tym dwóm formom energii potencjalnej.
1. Grawitacyjna energia potencjalna
Jest to energia związana z pozycją, w której znajduje się ciało. Spójrz na rysunek 1 i rozważ ciało o masie m początkowo w spoczynku w punkcie b. Ciało znajduje się na wysokości h w stosunku do podłoża a. Porzucona ze spoczynku, ze względu na swoją masę, siła ciężaru wykonuje pracę na ciele i nabiera ono energii kinetycznej, czyli zaczyna się poruszać.
Praca jaką wykonuje waga kuli pozwala nam zmierzyć energię potencjalną grawitacji, więc obliczmy pracę.
Biorąc pod uwagę punkt a jako punkt odniesienia, przemieszczenie od b do a jest określone przez h, moduł ciężaru siły jest określony przez P = m.g i o kąt między kierunkiem przyłożenia ciężaru siły a przemieszczeniem α = 0º, ponieważ oba są w tym samym kierunku, wystarczy zastosować definicję praca (τ):
τ=F.d.cosα
Jeżeli F jest równe ciężarowi siły P=mg, przemieszczenie d = h i α = 0º (cos 0º = 1), podstawiając do równania 1, otrzymamy:
τ=F.d.cosα
τ=m.g.h.cos 00
τ=m.g.h
Zatem energia, która wiąże położenie obiektu z podłożem, Grawitacyjna Energia Potencjalna, jest obliczana ze wzoru:
IP= m.g.h
Równanie 2: Grawitacyjna energia potencjalna
Na czym:
Ep: grawitacyjna energia potencjalna;
g: przyspieszenie grawitacyjne;
m: masa ciała.
2. Elastyczna Energia potencjalna
Rozważmy układ sprężyna-masa na rysunku 2, gdzie mamy ciało o masie m przymocowane do sprężyny o stałej sprężystości k. Aby odkształcić sprężynę, musimy wykonać pewną pracę, ponieważ musimy ją pchać lub rozciągać. Gdy to zrobimy, sprężyna nabiera energii potencjalnej sprężystości, a po zwolnieniu powraca do swojej pozycji wyjściowej, gdzie nie było odkształcenia.
Aby otrzymać matematyczne wyrażenie energii potencjalnej sprężystości, musimy postępować w taki sam sposób, jak w przypadku grawitacyjnej energii potencjalnej. Następnie otrzymamy wyrażenie energii potencjalnej sprężystości zmagazynowanej w układzie masa-sprężyna przez pracę, jaką siła sprężystości wywiera na blok.
Gdy układ masa-sprężyna znajduje się w punkcie A, sprężyna nie ulega odkształceniu, to znaczy nie jest ani rozciągana, ani ściskana. Tak więc, kiedy rozciągamy go do B, pojawia się siła, zwana siłą sprężystości, która powoduje powrót do A, swojej początkowej pozycji, gdy zostanie porzucona. Moduł siły sprężystej wywieranej przez sprężynę na klocek jest określony prawem Hooke'a:
Fel = k.x
Gdzie Fel oznacza siłę sprężystości, k jest stałą sprężystości sprężyny, a x jest wartością skurczu lub wydłużenia sprężyny.
Praca siły sprężystej dla przemieszczenia d = x dana jest wzorem:
Zatem energia związana z pracą siły sprężystej, Elastyczna Energia Potencjalna, jest również wyrażona wzorem:
Na czym:
Węgorz: energia potencjalna sprężystości;
k: stała sprężystości;
x: deformacja sprężyny.
Obserwuje się, że kula o masie m zawieszona w stosunku do podłoża i układu sprężyna-masa przy rozciąganiu lub skompresowane, mają zdolność do pracy, ponieważ zmagazynowały energię dzięki swoim pozycja. Ta energia zmagazynowana w związku z pozycją nazywana jest energią potencjalną.
Nathan Augusto
Ukończył fizykę
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm