A elastyczna Energia potencjalna to rodzaj energia potencjalna związane z elastycznymi właściwościami materiałów, których ściskanie lub elastyczność może powodować ruch ciał. Jego jednostką miary jest dżul i można go obliczyć, dzieląc przez dwa iloczyn stałej sprężystości i kwadratu odkształcenia, jakiego doznał obiekt sprężysty.
Wiedzieć więcej: Elektryczna energia potencjalna — forma energii potencjalnej, która wymaga interakcji ładunków elektrycznych
Elastyczne podsumowanie energii potencjalnej
A energia Potencjał sprężysty jest formą energii potencjalnej związanej z odkształceniem i wydłużeniem ciał sprężystych.
Jego wzór obliczeniowy jest następujący:
\(E_{pel}=\frac{k\cdot x^2}2\)
Można to również obliczyć za pomocą wzoru, który wiąże energię potencjalną sprężystości z siłą sprężystości:
\(E_{pel}=\frac{F_{pel}\cdot x}2\)
Na fizyczny, energia jest zawsze zachowana, nigdy nie jest generowana ani niszczona.
Możliwe jest przekształcenie energii potencjalnej sprężystości w energię potencjalną grawitacji i/lub energię kinetyczną.
Energia potencjalna sprężystości zamienia się w energię kinetyczną wolniej niż energia potencjalna grawitacji.
Energia potencjalna grawitacji jest związana ze zmianą wysokości ciał znajdujących się w obszarze pola grawitacyjnego.
Co to jest energia potencjalna sprężystości?
Energia potencjalna sprężystości wynosi jeden wielkość fizyczna skalowanie związane z działaniem wytwarzanym przez materiały elastyczne lub elastyczne na innych ciałach. Przykładami elastycznych lub elastycznych materiałów są sprężyny, gumy, elementy elastyczne. Jest to jedna z form energii potencjalnej, podobnie jak energia potencjalna grawitacji.
Zgodnie z Międzynarodowym Układem Jednostek Miar (SI), Jego jednostką miary jest dżul., reprezentowany przez literę J.
jest wprost proporcjonalna do stałej sprężystości i odkształcenia obiektów sprężystych, dlatego wraz ze wzrostem rośnie również energia potencjalna sprężystości.
Wzory na energię potencjalną sprężystości
→ Elastyczna energia potencjalna
\(E_{pel}=\frac{k\cdot x^2}2\)
\(E_{pel}\) → energia potencjalna sprężystości mierzona w dżulach \([J]\).
k → stała sprężystości mierzona w niutonach na metr \([N/m]\).
X → deformacja obiektu mierzona w metrach\([M]\).
Przykład:
Wyznacz energię potencjalną sprężystości sprężyny naprężonej o 0,5 m, wiedząc, że jej stała sprężystości wynosi 200 N/m.
Rezolucja:
Obliczymy energię potencjalną sprężystości za pomocą jej wzoru:
\(E_{pel}=\frac{k\cdot x^2}2\)
\(E_{pel}=\frac{200\cdot 0.5^2}2\)
\(E_{pel}=\frac{200\cdot 0.25}2\)
\(E_{pel}=25\ J\)
Energia potencjalna sprężystości wynosi 25 dżuli.
→ Energia potencjalna sprężystości związana z siłą sprężystości
\(E_{pel}=\frac{F_{pel}\cdot x}2\)
\(E_{pel}\) → energia potencjalna sprężystości mierzona w dżulach \([J]\).
\(Żółć}\) → siła sprężystości, czyli siła wywierana przez sprężynę, mierzona w Newtonach \([N]\).
X → deformacja obiektu mierzona w metrach \([M]\).
Przykład:
Jaka jest energia potencjalna sprężystości sprężyny naprężonej o 2,0 cm pod działaniem siły 100 N?
Rezolucja:
Najpierw przeliczymy odkształcenie z centymetrów na metry:
20 cm = 0,2 m
Następnie obliczymy energię potencjalną sprężystości za pomocą wzoru, który ją odnosi siła sprężysta:
\(E_{pel}=\frac{F_{pel}\cdot x}2\)
\(E_{pel}=\frac{100\cdot0,2}2\)
\(E_{pel}=10\ J\)
Energia potencjalna sprężystości wynosi 10 dżuli.
Zastosowania sprężystej energii potencjalnej
Zastosowania energii potencjalnej sprężystości odnoszą się głównie do jej przekształcania w inne formy energii lub do magazynowania energii kinetycznej. Poniżej zobaczymy kilka codziennych przykładów jego zastosowań.
Zderzaki samochodowe są zaprojektowane tak, aby odkształcały się podczas uderzenia, magazynując maksymalną ilość energii kinetycznej i przekształcając ją w energię potencjalną sprężystości.
W trampolinie mamy do czynienia z odkształceniem sprężyn i elastycznego materiału, co powoduje powstanie energii potencjał sprężysty, który później zostanie przekształcony w energię kinetyczną i energię potencjalną grawitacyjny.
Niektóre tenisówki mają sprężyny, które zmniejszają siłę uderzenia podczas ruchu, w którym energia kinetyczna jest przekształcana w energię potencjalną sprężystości.
Transformacja energii potencjalnej sprężystości
Elastyczna energia potencjalna jest zgodna z zasadą zachowania energii, zgodnie z którą energia jest zawsze zachowana i nie można jej stworzyć ani zniszczyć. Dzięki temu ona można przekształcić w inne formy energii, np energia kinetyczna i/lub grawitacyjna energia potencjalna.
Jak widać na poniższym obrazku, sprężyna jest początkowo ściśnięta, ale po zwolnieniu uzyskuje ruch w wyniku przemiany energii potencjalnej sprężystości w energię kinetyczną.
Przeczytaj też: Zachowanie ładunku elektrycznego — niemożność tworzenia lub niszczenia ładunków
Zalety i wady energii potencjalnej sprężystości
Elastyczna energia potencjalna ma następujące zalety i wady:
Korzyść: zmniejsza wpływ ruchu.
Niekorzyść: przetwarza energię powoli w porównaniu z energią potencjalną grawitacji.
Różnice między energią potencjalną sprężystości a energią potencjalną grawitacji
Elastyczna energia potencjalna i grawitacyjna energia potencjalna to formy energii potencjalnej związane z różnymi aspektami.
Elastyczna Energia potencjalna: związane z działaniem sprężyn i przedmiotów sprężystych na ciała.
Grawitacyjna energia potencjalna: związane ze zmiennością wysokości ciał znajdujących się w obszarze pola grawitacyjnego.
Rozwiązane ćwiczenia na energię potencjalną sprężystości
Pytanie 1
(Enem) Samochodziki mogą być kilku typów. Wśród nich są te napędzane linką, w których sprężyna w środku jest ściskana, gdy dziecko ciągnie wózek do tyłu. Po zwolnieniu wózek zaczyna się poruszać, a sprężyna powraca do swojego pierwotnego kształtu. Proces konwersji energii zachodzący w opisywanym wózku jest również weryfikowany w:
A) dynamo.
B) hamulec samochodowy.
C) silnik spalinowy.
D) elektrownia wodna.
E) proca (proca).
Rezolucja:
Alternatywa E
W procy energia potencjalna sprężystości sprężyny jest przekształcana w energię kinetyczną, co powoduje uwolnienie przedmiotu.
pytanie 2
(Fatec) Klocek o masie 0,60 kg spada z punktu A na tor w płaszczyźnie pionowej. Punkt A znajduje się 2,0 m nad podstawą toru, w którym zamocowana jest sprężyna o stałej sprężystości 150 N/m. Skutki tarcia są pomijalne i przyjmujemy \(g=10m/s^2\). Maksymalny ścisk sprężyny wynosi w metrach:
A) 0,80
B) 0,40
C) 0,20
D) 0,10
E) 0,05
Rezolucja:
Alternatywa B
Skorzystamy z twierdzenia o zachowanie energii mechanicznej aby znaleźć wartość maksymalnego ściśnięcia sprężyny:
\(E_{m\ przed}=E_{m\ po}\)
A energia mechaniczna jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej, więc:
\(E_{c\ przed}+E_{p\ przed}=E_{c\ po}+E_{p\ po}\)
Gdzie energia potencjalna jest sumą energii potencjalnej sprężystości i energii potencjalnej grawitacji. Więc mamy:
\(E_{c\ przed}+E_{pel\ przed}+E_{str.\ przed}=E_{c\ po}+E_{pel\ po}+E_{str.\ po}\)
Ponieważ w tym przypadku energia potencjalna grawitacji zamienia się w energię potencjalną sprężystości, to:
\(E_{str.\ przed}=E_{pel\ po}\)
Zastępując ich odpowiednie wzory, otrzymujemy:
\(m\cdot g\cdot h=\frac{k\cdot x^2}2\)
\(0,6\cdot 10\cdot 2=\frac{150\cdot x^2}2\)
\(12=75\ckropka x^2\)
\(x^2=\frac{12}{75}\)
\(x^2=0,16\)
\(x=\sqrt{0,16}\)
\(x=0,4\m\)
Pamella Raphaella Melo
Nauczyciel fizyki
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-elastica.htm