În experiența noastră de zi cu zi înțelegem și folosim cuvântul energie ca ceva întotdeauna legat de mișcare. De exemplu, pentru ca o mașină să funcționeze are nevoie de combustibil, pentru ca oamenii să lucreze și să își îndeplinească sarcinile zilnice pe care trebuie să le mănânce. Aici asociem atât combustibilul, cât și alimentele cu energia. De acum înainte vom merge spre o definiție mai precisă a energiei.
Mișcarea unei mașini, a unei persoane sau a oricărui obiect are energie, această energie legată de mișcare se numește energie cinetică. Un corp în mișcare, care posedă energie cinetică, poate lucra intrând în contact cu un alt corp sau obiect și transferând energie către acesta.
Cu toate acestea, un obiect în repaus poate avea și energie, ceea ce îl face insuficient doar pentru a lega conceptul de energie cu mișcarea. De exemplu, un obiect aflat în repaus la o anumită înălțime de la sol are energie. Acest obiect, când este abandonat, începe o mișcare și crește viteza în timp, acest lucru se întâmplă deoarece forța de greutate face o treabă și o face să intre în mișcare, adică capătă energie cinetica. Se spune că un obiect în repaus are o energie numită energie potențială gravitațională, care variază în funcție de înălțimea sa în raport cu solul.
O altă formă de energie este energia potențială elastică, prezentă într-un arc comprimat sau întins. Când comprimăm sau întindem un arc, executăm lucrări pentru a realiza deformarea și putem observa că, după eliberat, arcul capătă mișcare - energie cinetică - și revine la poziția sa inițială acolo unde nu a fost întins sau comprimat.
Deci, mai precis, putem spune că energia cinetică este energia sau capacitatea de a efectua munca datorată mișcării și că energia potențială este energia sau capacitatea de a face munca datorată poziţie.
În mecanică, există două forme de energie potențială: una asociată cu greutatea, numită energie potențial gravitațional și altul legat de activitatea forței elastice, care este energia potențială elastic. Acum să studiem mai detaliat aceste două forme de energie potențială.
1. Energia potențială gravitațională
Este energia asociată cu poziția în care se află corpul. Uită-te la figura 1 și ia în considerare corpul masei inițial în repaus în punctul b. Corpul este la o înălțime h în raport cu solul a. Când este abandonată din odihnă, datorită masei sale, forța de greutate efectuează lucrări asupra corpului și capătă energie cinetică, adică începe să se miște.
Munca pe care o face greutatea sferei ne permite să măsurăm energia potențială gravitațională, deci să calculăm munca.
Considerând punctul a ca punct de referință, deplasarea de la b la a este dată de h, modulul greutății forței fiind dat de P = m.g și o unghiul dintre direcția de aplicare a greutății forței și deplasarea α = 0º, deoarece ambele sunt în aceeași direcție, aplicați doar definiția lucru (τ):
τ = F.d.cosα
Dacă F este egal cu greutatea forței P = mg, deplasarea d = h și α = 0º (cos 0º = 1), înlocuind în ecuația 1, vom avea:
τ = F.d.cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Astfel, energia care leagă poziția unui obiect de sol, energia potențială gravitațională, se calculează prin:
ȘIP= m.g.h
Ecuația 2: Energia potențială gravitațională
Pe ce:
Ep: energie potențială gravitațională;
g: accelerație gravitațională;
m: masa corporală.
2. Energie potențială elastică
Luați în considerare sistemul arc-masă din figura 2, unde avem un corp cu masa m atașat unui arc de constantă elastică k. Pentru a deforma arcul trebuie să facem o treabă, deoarece trebuie să-l împingem sau să-l întindem. Când facem acest lucru, arcul capătă energie potențială elastică și, atunci când este eliberat, se deplasează înapoi la poziția sa inițială, unde nu a existat deformare.
Pentru a obține expresia matematică a energiei potențiale elastice trebuie să procedăm în același mod ca și pentru energia potențială gravitațională. Apoi, vom obține expresia energiei potențiale elastice stocate într-un sistem masă-arc prin lucrarea pe care forța elastică o exercită asupra blocului.
Când sistemul masă-arc este în punctul A, nu există deformare în arc, adică nu este nici întins, nici comprimat. Astfel, atunci când o întindem până la B, apare o forță, numită forță elastică, care o face să revină la A, poziția sa inițială, atunci când este abandonată. Modulul forței elastice exercitate de arc pe bloc este dat de legea lui Hooke:
Fel = k.x
Unde Fel indică forța elastică, k este constanta elastică a arcului și x este valoarea contracției sau alungirii arcului.
Lucrarea forței elastice pentru o deplasare d = x este dată de:
Astfel, energia asociată cu activitatea forței elastice, energia potențială elastică, este dată și de:
Pe ce:
Anghila: energie potențială elastică;
k: constanta arcului;
x: deformarea arcului.
Se observă că sfera de masă m suspendată în raport cu solul și sistemul arc-masă, atunci când este întinsă sau comprimat, au capacitatea de a lucra, deoarece au stocat energie datorită lor poziţie. Această energie stocată datorită poziției se numește energie potențială.
De Nathan Augusto
Absolvent în fizică
Sursă: Școala din Brazilia - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm
