잠재 에너지 : 특성, 유형, 계산 및 예 - 물리적 인 - 2025

에너지는 에너지 자체 구성에서 몸이다. 물체가 상호 작용할 때, 그들 사이에는 일을 할 수있는 힘이 있고, 그 배열에 저장된 일을하는이 능력은 에너지로 변환 될 수 있습니다.

예를 들어, 인간은 태고 적부터 처음에는 방적 공장을 사용하고 그다음에는 수력 발전소에서 폭포의 위치 에너지를 활용했습니다.

나이아가라 폭포 : 중력 위치 에너지의 거대한 저수지. 출처 : Pixabay.

반면에 많은 재료는 변형 한 다음 원래 크기로 되 돌리는 작업을 수행하는 놀라운 능력을 가지고 있습니다. 그리고 다른 상황에서, 전하의 배열은 커패시터와 같은 전위 에너지의 저장을 허용합니다.

잠재 에너지는 다른 형태의 사용 가능한 에너지로 변환 될 수있는 많은 가능성을 제공하므로이를 관장하는 법칙을 아는 것이 중요합니다.

위치 에너지의 기원

물체의 위치 에너지는 물체에 영향을 미치는 힘에서 기원합니다. 그러나 위치 에너지는 스칼라 양이고 힘은 벡터입니다. 따라서 위치 에너지를 지정하려면 숫자 값과 선택한 단위를 표시하기 만하면됩니다.

또 다른 중요한 특성은 모든 힘이 이러한 미덕을 가지고있는 것은 아니기 때문에 위치 에너지를 저장할 수있는 힘의 유형입니다. 보수적 인 힘만이 작용하는 시스템에 위치 에너지를 저장합니다.

보수적 인 힘은 작업이 대상이 따르는 경로에 의존하지 않고 시작 지점과 도착 지점에만 의존하는 힘입니다. 떨어지는 물을 움직이는 힘은 보수적 인 힘인 중력입니다.

반면에 탄성력과 정전기력도 이러한 특성을 가지므로 그와 관련된 위치 에너지가 있습니다.

앞서 언급 한 요구 사항을 충족하지 않는 세력을 비 보수적이라고합니다. 이들의 예는 마찰 및 공기 저항입니다.

위치 에너지의 유형

위치 에너지는 항상 이미 언급 한 것과 같은 보수적 인 힘에서 파생되기 때문에 우리는 중력 위치 에너지, 탄성 위치 에너지, 정전기 위치 에너지, 핵 위치 에너지 및 화학적 위치 에너지를 말합니다.

중력 위치 에너지

모든 물체는지면으로부터 높이의 함수로서 위치 에너지를가집니다. 이 단순한 사실은 떨어지는 물이 터빈을 구동하고 결국 전기 에너지로 변환되는 이유를 설명합니다. 여기에 표시된 스키어의 예는 중력 위치 에너지에 대한 체중과 키의 관계를 보여줍니다.

또 다른 예는 롤러 코스터 자동차로, 지상에서 일정 높이에있을 때 더 높은 위치 에너지를 가지고 있습니다. 지면에 도달하면 높이가 0이되고 모든 위치 에너지가 운동 에너지 (운동 에너지)로 변환됩니다.

애니메이션은 롤러 코스터에서 움직이는 물체의 중력 위치 에너지와 운동 에너지 간의 교환을 보여줍니다. 기계적 에너지라고하는 두 에너지의 합은 운동 내내 일정합니다. 출처 : Wikimedia Commons.

탄성 위치 에너지

스프링, 활, 석궁 및 고무 밴드와 같은 물체는 탄성 위치 에너지를 저장할 수 있습니다.

활을 그리면 궁수는 활 화살 시스템의 위치 에너지로 저장되는 작업을 수행합니다. 활을 놓으면이 에너지가 화살의 움직임으로 변환됩니다. 출처 : Pixabay.

신체 또는 재료의 탄성은 Hooke의 법칙 (특정 한계까지)에 의해 설명되며, 이는 압축되거나 늘어날 때 발휘할 수있는 힘이 변형에 비례한다는 것을 알려줍니다.

예를 들어, 스프링이나 스프링의 경우 이것은 더 많이 수축되거나 늘어 나면 한쪽 끝에 놓인 물체에 더 큰 힘을 가할 수 있음을 의미합니다.

정전 기적 위치 에너지

전하가 구성에 따라 갖는 에너지입니다. 같은 기호의 전하는 서로 밀어 내기 때문에 특정 위치에 한 쌍의 양전하 또는 음전하를 배치하려면 외부 에이전트가 작업을 수행해야합니다. 그렇지 않으면 그들은 분리되는 경향이 있습니다.

이 작업은 하중이 위치한 방식으로 저장됩니다. 동일한 기호의 전하가 가까울수록 구성의 잠재적 에너지가 높아집니다. 그 반대는 많은 다른 표시들에 관해서 일어난다. 서로를 끌어 당길수록 가까울수록 잠재적 에너지가 줄어 듭니다.

원자력 위치 에너지

헬륨 원자의 대략적인 표현. 핵에서 양성자는 빨간색으로 표시되고 중성자는 파란색으로 표시됩니다.

원자핵은 일반적으로 핵이라고 불리는 양성자와 중성자로 구성됩니다. 전자는 양전하를 띠고 후자는 중성입니다.

그것들은 상상을 초월하는 작은 공간에 응집되어 있고 같은 기호의 전하가 서로를 격퇴한다는 것을 알기 때문에 원자핵이 어떻게 응집력을 유지하는지 궁금합니다.

그 대답은 정전 반발 외에 강한 핵 상호 작용과 약한 핵 상호 작용과 같은 핵의 특징 인 다른 힘에 있습니다. 이것은 정전기력을 훨씬 초과하는 매우 강한 힘입니다.

화학적 위치 에너지

이러한 형태의 위치 에너지는 다양한 유형의 화학 결합에 따라 물질의 원자와 분자가 배열되는 방식에서 비롯됩니다.

화학 반응이 발생하면이 에너지는 예를 들어 셀 또는 전기 배터리를 통해 다른 유형으로 변환 될 수 있습니다.

위치 에너지의 예

잠재 에너지는 여러 가지 방법으로 일상 생활에 존재합니다. 그 효과를 관찰하는 것은 물체를 특정 높이에 놓고 언제든지 구르거나 떨어질 수 있다는 확신만큼 쉽습니다.

다음은 이전에 설명한 위치 에너지 유형의 일부 표현입니다.

-롤러 코스터

-내리막 길로 굴러가는 자동차 또는 공

-활과 화살

-전기 배터리

-진자 시계

끝 부분의 구체 중 하나가 움직이면 움직임이 다른 구체로 전달됩니다. 출처 : Pixabay.

-스윙에서 스윙

-트램폴린으로 점프

-접이식 펜을 사용하십시오.

참조 : 위치 에너지의 예.

위치 에너지 계산

위치 에너지는 힘에 의해 수행되는 작업에 따라 달라지며 이는 차례로 궤적에 의존하지 않으므로 다음과 같이 말할 수 있습니다.

-A와 B가 두 점이면 A에서 B로 이동하는 데 필요한 작업 W _AB 는 B에서 A로 이동하는 데 필요한 작업과 같습니다. 따라서 : W _AB = W _BA , 따라서 :

-그리고 두 개의 다른 궤적 1과 2가 상기 지점 A와 B를 연결하려고 시도하면 두 경우 모두에서 수행 된 작업도 동일합니다.

W ₁ = W ₂ .

두 경우 모두 대상은 위치 에너지의 변화를 경험합니다.

음, 물체의 위치 에너지는 (보수적) 힘에 의해 수행 된 작업의 부정적인 것으로 정의됩니다.

그러나 작업은이 적분으로 정의되기 때문에 :

:

위치 에너지의 단위는 일의 단위와 동일합니다. SI 국제 시스템에서 단위는 줄 (joule)로, 영국 물리학자인 James Joule (1818-1889)에 의해 J로 축약되고 1 뉴턴 x 미터와 같습니다.

에너지의 다른 단위로는 cgs erg, 파운드-포스 x 피트, BTU (영국식 열량 단위), 칼로리 및 킬로와트시가 있습니다.

위치 에너지를 계산하는 방법에 대한 몇 가지 특정 사례를 아래에서 살펴 보겠습니다.

중력 위치 에너지 계산

지구 표면 부근에서 중력의 힘은 수직으로 아래쪽을 향하고 그 크기는 방정식 무게 = 질량 x 중력으로 주어집니다.

문자 "Y"와 세로축을 나타내는 이러한 방향으로의 단위 벡터 할당 J 긍정적 위로 네가티브 다운, 에너지의 변화 예에서 몸체 움직임은 Y = 때 _를 y로 = 및 _B는 인 :

탄성 위치 에너지 계산

Hooke의 법칙은 힘이 변형에 비례한다고 말합니다.

여기서 x는 변형률이고 k는 스프링의 고유 상수로, 얼마나 단단한 지 나타냅니다. 이 식을 통해 i 가 수평 방향의 단위 벡터 임을 고려하여 탄성 위치 에너지를 계산합니다 .

정전기 위치 에너지 계산

포인트 전하 Q가 있으면 다른 포인트 전하 q를 인식하는 전기장을 생성하고 필드 중간에서 한 위치에서 다른 위치로 이동할 때 작동합니다. 두 점 전하 사이의 정전기력은 단위 벡터 r로 상징되는 반경 방향을 갖습니다 .

예를 들어 그림 1. 출처 : F. Zapata.

해결책

블록이 바닥에 대해 높이 h _A 에있을 때 높이 로 인해 중력 위치 에너지가 있습니다. 방출되면이 위치 에너지는 점차적으로 운동 에너지로 변환되고 부드러운 곡선 경사로 아래로 미끄러짐에 따라 속도가 증가합니다.

A에서 B까지의 경로 중에는 균일하게 변하는 직선 운동 방정식을 적용 할 수 없습니다. 중력이 블록의 움직임을 담당하지만 궤적이 직선이 아니기 때문에 경험하는 움직임은 더 복잡합니다.

경로 AB의 에너지 보존

그러나 중력은 보수적 인 힘이고 경사로에 마찰이 없기 때문에 기계 에너지 보존을 사용하여 경사로 끝에서 속도를 찾을 수 있습니다.

질량이 각 항에 표시된다는 점을 주목하여 표현을 단순화합니다. 휴식에서 해제됩니다. v _A = 0. 그리고 h _B 는지 면 수준에 있습니다. h _B = 0입니다. 이러한 단순화를 통해 표현식은 다음과 같이 줄어 듭니다.

BC 섹션에서 문지르는 작업

이제 블록은이 속도로 거친 구간에서 여행을 시작하고 마지막으로 지점 C에서 멈 춥니 다. 따라서 v _C = 0입니다. 마찰은 소산 력이므로 주어진 블록에 대한 작업 :

운동 마찰이 물체를 느리게하여 물체의 움직임에 반대하기 때문에이 작업은 음의 부호를 갖습니다. 운동 마찰 f _k 의 크기 는 다음과 같습니다.

여기서 N은 수직력의 크기입니다. 수직력은 블록의 표면에 의해 가해지며 표면이 완전히 수평이기 때문에 무게 P = mg의 균형을 유지하므로 법선의 크기는 다음과 같습니다.

결과 :

f _k 가 블록에서 수행하는 작업 은 다음과 같습니다. W _k =-f _k .D = -μ _k .mg.D.

기계적 에너지의 변화 계산

이 작업은 다음과 같이 계산 된 기계적 에너지의 변화와 동일합니다.

이 방정식에는 사라지는 몇 가지 항이 있습니다. K _C = 0, 블록이 C에서 멈추고 U _C = U _B 도 사라집니다 .이 지점은지면 수준에 있기 때문입니다. 단순화 결과 :

질량이 다시 취소되고 D는 다음과 같이 얻을 수 있습니다.

참고 문헌

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