Potencialna energija – definicija, vrste (gravitacijska, elastična, električna)
Potencialna energija je shranjena ali zadržana energija predmeta. Pogosto se razlikuje od kinetične energije.
Definicija in osnovne lastnosti
V fiziki je potencialna energija energija, ki jo ima predmet zaradi svojega položaja v polju sil ali ki jo ima sistem zaradi razporeditve svojih delov. Pomembne lastnosti potencialne energije:
- Relativnost: potencialna energija je vedno relativna — nima absolutne vrednosti, ampak jo določimo glede na izbrano ničelno (referenčno) raven.
- Konservativne sile: potencialna energija je povezana s konservativnimi silami (npr. gravitacija, elastična sila vzmeti, elektrostatika). Pri teh silah je delo, ki ga sila opravi, odvisno le od začetnega in končnega položaja, ne pa od poti.
- Pretvorba energij: ko sistem spremeni konfiguracijo, se potencialna energija lahko spremeni v drugo obliko energije (npr. v kinetično energijo) in obratno — skupna energija v zaprtem sistemu ostane enaka zaradi zakona o ohranitvi energije.
- Enota: Enota SI za energijo je joule (simbol J).
Zakonska zveza med delom in potencialno energijo
Pri polju sile, ki ga imenujemo konservativno, je sprememba potencialne energije povezana z delom, ki ga to polje opravi: ΔU = -W_field. To pomeni, da če polje opravi delo na telesu, se potencialna energija sistema zmanjša za enako količino.
Vrste potencialne energije
Najpogostejše vrste potencialne energije so:
- Gravitacijska potencialna energija
- Pri približno enakomernem gravitacijskem polju blizu Zemljine površine velja približna formula U = m g h, kjer je m masa, g pospešek prostega pada (≈ 9,81 m/s²) in h višina glede na izbrano ničelno raven.
- V splošni obliki za dve točki masi se uporablja Newtonov zakon gravitacije: U(r) = -G m1 m2 / r. Znak minus kaže, da je potencialna energija v vezanem gravitacijskem sistemu pogosto negativna glede na neskončnost kot referenco. - Elastična (vzmetna) potencialna energija
- Za linearno vzmet (Hookov zakon) je shranjena energija pri raztegnitvi ali stiskanju x dana z U = 1/2 k x², kjer je k konstanta vzmeti. To delo se shrani v notranjem naponu vzmeti in se ob sprostitvi vrne kot kinetična energija gibajočih se delov. - Električna (elektrostatična) potencialna energija
- Med dvema nabitima delcema q1 in q2 v vakuumu je elektrostatčna potencialna energija približno U = (1/(4πε0)) q1 q2 / r (v SI običajno zapisano kot k q1 q2 / r), kjer r označuje razdaljo med njima. Znak energije je odvisen od znakov nabojev: enaki naboji dajejo pozitivno U (odboj), nasprotni pa negativno U (privlak). - Kemična potencialna energija
- Vključuje energijo, shranjeno v kemičnih vezih v snoveh (npr. hrana, gorivo, baterije). Ta energija se lahko sprosti ali absorbira pri kemičnih reakcijah in se pogosto pretvori v termično energijo, delo ali električno energijo.
Praktični primeri in pomen izbire referenčne ravni
Pri reševanju nalog pogosto izberemo preprosto referenčno raven (npr. tla), da izračunamo grav. potencialno energijo s formulami kot je m g h. Vendar je treba vedeti, da lahko izberemo katerokoli referenčno raven — spremembe energije (ΔU) so pri fizikalnih izračunih tiste, ki imajo pomen.
Primeri:
- Predmet dvignjen na višino h ima povečano grav. potencialno energijo glede na tla — če ga spustimo, se ta energija spremeni v kinetično.
- Stisnjena vzmet ima elastično energijo, ki poganja izstrelitev mase, ko se vzmet sprosti.
- V bateriji kemične reakcije spremenijo kemično potencialno energijo v električno potencialno energijo, ki ga lahko uporabimo za delo v električnem krogu.
Posebne opombe
- Potencialna energija ni sama po sebi sila — je skalarna količina, povezana z delom sil.
- Pri sistemih z več silami se skupna potencialna energija izračuna kot vsota prispevkov posamičnih potencialov, če so sile konservativne.
- Pri dinamičnih procesih je pri spremembah potencialne energije smiselno spremljati tudi energijo, ki se pretvori v toploto ali drugačne oblike zaradi disipativnih sil (trenje, upornost).
Fiziki pogosto povzamejo potencialno energijo kot razliko med energijo predmeta v danem položaju in njegovo energijo v referenčnem položaju — to razliko lahko izmerimo in uporabimo pri izračunu dela, gibanja in stabilnosti sistemov.
Preprosti primeri
Če kamen peljemo v hrib, se njegova potencialna energija pod vplivom težnosti poveča. Raztegovanje gumijastega traku poveča njegovo elastično potencialno energijo, ki je oblika električne potencialne energije. Mešanica goriva in oksidanta ima kemijsko potencialno energijo, ki je druga oblika električne potencialne energije. Tudi baterije imajo kemično potencialno energijo.
Vrste potencialne energije
Obstajajo različne vrste potencialne energije, vsaka pa je povezana z določeno vrsto sile.
Gravitacijska potencialna energija
Gravitacijska potencialna energija se pojavi pri predmetu, kadar sta v sistemu dejavnika višina in masa. Gravitacijska potencialna energija povzroča, da se predmeti premikajo drug proti drugemu. Če predmet dvignemo za določeno razdaljo od površine Zemlje, je sila, ki jo občutimo, posledica mase in višine. Delo je opredeljeno kot sila na določeni razdalji, delo pa je druga beseda za energijo. Potencialna energija, ki se doda pri dvigovanju predmeta, je:
U = F Δ h {\displaystyle U=F\Delta h} 
kjer je
F {\displaystyle F}
je sila teže
Δ h {\displaystyle \Delta h}
je sprememba višine
ali
U = m g h {\displaystyle U=mgh} 
Tu je g = 9,81 m/s 2 {\textstyle g=9,81\ \mathrm {m/s} ^{2}}
je težnostni pospešek.
Celotno delo, ki ga opravi gravitacijska potencialna energija, ko predmet pade s položaja 1 na položaj 2, je:
Δ W = U 1 - U 2 {\displaystyle \Delta W=U_{1}-U_{2}} 
ali
Δ W = m g h 1 - m g h 2 {\displaystyle \Delta W=mgh_{1}-mgh_{2}} 
kjer je
m {\displaystyle m}
je masa predmeta
h 1 {\displaystyle h_{1}}
je prvi položaj
h 2 {\displaystyle h_{2}}
je drugi položaj
Električna potencialna energija
Električno potencialno energijo imajo različni in enaki naboji, saj se medsebojno odbijajo ali privlačijo. Naboji so lahko pozitivni (+) ali negativni (-), pri čemer se nasprotni naboji privlačijo, podobni pa odbijajo. Če sta dva naboja na določeni razdalji drug od drugega, lahko potencialno energijo, shranjeno med nabojema, izračunamo z
U = k Q q r {\displaystyle U={\frac {kQq}{r}}} 
kjer je
k {\displaystyle k}
je 1/4πє (za zrak ali vakuum je 9 x 10 9 N m 2 / C 2 {\displaystyle 9x10^{9}Nm^{2}/C^{2}} 
)
Q {\displaystyle Q}
je prvi naboj
q {\displaystyle q}
je drugi naboj
r {\displaystyle r}
je medsebojna razdalja
Elastična potencialna energija
Elastična potencialna energija se pojavi, ko se gumijast material odtrga ali potisne skupaj. Količina potencialne energije, ki jo ima material, je odvisna od razdalje, na katero je potegnjen ali potisnjen. Daljša kot je potisnjena razdalja, večjo elastično potencialno energijo ima snov. Če material vlečemo ali potiskamo, lahko potencialno energijo izračunamo tako:
U = 1 2 k x 2 {\displaystyle U={\frac {1}{2}}kx^{2}} 
kjer je
k {\displaystyle k} je konstanta vzmetne sile (kako dobro se material raztegne ali stisne)
x {\displaystyle x}
je razdalja, na katero se je material premaknil od prvotnega položaja
Sorodne strani
- Kinetična energija
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je potencialna energija?
O: Potencialna energija je shranjena ali zadržana energija predmeta. Pogosto se razlikuje od kinetične energije in je energija, ki jo ima predmet zaradi svojega položaja v polju sil ali ki jo ima sistem zaradi načina razporeditve svojih delov.
V: Katere so pogoste vrste potencialne energije?
O: Pogoste vrste potencialne energije so gravitacijska potencialna energija, elastična potencialna energija in električna potencialna energija.
V: Katera je enota SI za merjenje energije?
O: Enota SI za merjenje energije je joule (simbol J).
V: Kako se delo shrani v obliki potencialne energije?
O: Delo se shrani kot potencialna energija, ko ga opravi zunanja sila, ki deluje proti polju sil potenciala. To delo je nato shranjeno v polju sil kot potencialna energija.
V: Kako se potencial spremeni v kinetično energijo?
O: Ko zunanja sila, ki je delovala proti polju sil danega položaja, preneha delovati, se telo premakne nazaj v začetni položaj, kar zmanjša raztezek vzmeti ali povzroči padec telesa. Na tej točki se vsak obstoječi potencial spremeni v kinetičnega, skupna količina pa ostane konstantna zaradi zakona o ohranitvi energije.
V: Kako fiziki opredeljujejo potencialno energijo?
O: Fiziki pravijo, da lahko potencialno energijo opredelimo kot razliko med energijama predmeta v danem in referenčnem položaju.
