Потенциальная энергия
| English | Русский |
|---|---|
| potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ | потенциальная энергия |
Поднятый молот хранит энергию, ожидая момента
- Поднимите молот над гвоздем, и он просто... ждет. Но теперь он обладает энергией, готовой ударить.
- Энергия может быть запасена благодаря положению или форме, а не только благодаря движению.
- Мы называем эту запасенную энергию потенциальной энергией.
- Освободите её, и запас снова превратится в движение.
Гравитационная потенциальная энергия
- Поднятие массы $m$ на высоту $h$ накапливает гравитационную потенциальную энергию: $E_p = mgh$.
- Она равна работе, совершенной против силы тяжести при подъеме.
- Чем выше вы поднимаете или чем больше масса, тем больше энергии запасается.
- Пусть упадет, и эта $mgh$ превратится в кинетическую энергию.
Накопление энергии путем подъема
Поднимите начальную высоту и посмотрите, сколько потенциальной энергии накапливается, готовой превратиться в кинетическую.
Поднимите книгу $2\ \text{kg}$ на полку $1.5\ \text{m}$ ($g = 9.8\ \tfrac{\text{N}}{\text{kg}}$). Сколько гравитационной потенциальной энергии накапливается в джоулях?
$E_p = mgh = 2 \times 9.8 \times 1.5 = 29.4\ \text{J}$.
Гравитационная потенциальная энергия $mgh$ увеличивается, если увеличить что-либо из перечисленного ниже?
$E_p = mgh$ растет вместе с массой, высотой и $g$. Цвет не имеет значения.
При падении поднятого объекта его гравитационная потенциальная энергия превращается в кинетическую.
По мере уменьшения высоты $mgh$ уменьшается, а утраченная PE появляется в виде кинетической энергии $\tfrac12 mv^2$.
Упругая потенциальная энергия
- Растянутая или сжатая пружина также запасает энергию: упругая потенциальная энергия $E_p = \tfrac12 k x^2$.
- Здесь $k$ — жесткость пружины, а $x$ — удлинение.
- Натянутый лук, заведенная пружина, сжатый батут — все они обладают упругой потенциальной энергией.
- Устраните деформацию, и запас превратится в движение.
Упругая потенциальная энергия пружины равна $\tfrac12 k \_\_$ (заполните пропуск).
$E_p = \tfrac12 k x^2$ — она растет пропорционально квадрату удлинения.
Потенциальная энергия относительна
- Гравитационная потенциальная энергия зависит от уровня отсчета, который вы выбираете для $h = 0$.
- Физически значимы только изменения потенциальной энергии ($\Delta E_p$), поэтому вы можете выбрать любую точку нуля.
- Потенциальная энергия связана с консервативными силами — гравитацией и пружинами, — чья запасенная энергия полностью восстанавливается.
- Трение не является консервативной силой: его энергия превращается в тепло и не может быть восстановлена как потенциальная энергия.
Гравитационная потенциальная энергия имеет одно абсолютное значение, одинаковое для всех наблюдателей.
Она измеряется относительно выбранной нулевой высоты; физически значимым является только изменение PE.
Чья запасенная энергия может быть полностью восстановлена как потенциальная энергия?
Гравитация — это консервативная сила, её энергия полностью восстанавливается. Трение преобразует энергию в тепло.
Гравитационная потенциальная энергия измеряется относительно выбранного нуля высоты — абсолютного значения нет. Всегда указывайте, где находится $h = 0$ (пол, земля, стол). На физику влияет только изменение потенциальной энергии.
Поднимите книгу $2\ \text{kg}$ на полку высотой $1.5\ \text{m}$ ($g = 9.8\ \tfrac{\text{N}}{\text{kg}}$).
- $E_p = mgh = 2 \times 9.8 \times 1.5 = 29.4\ \text{J}$.
Эта $29.4\ \text{J}$ запасена и готова превратиться в кинетическую энергию, если книга упадёт.
Потенциальная энергия — это запасенная энергия положения или формы. Гравитационная PE равна $E_p = mgh$; упругая PE равна $E_p = \tfrac12 kx^2$. Гравитационная PE измеряется относительно выбранного нуля, и важен только её изменение. Она возникает благодаря консервативным силам.