Caratteristiche energetiche potenziali, tipi, calcolo ed esempi

IL energia potenziale È l'energia che i corpi hanno sotto la loro configurazione. Quando gli oggetti interagiscono, ci sono forze in grado di fare lavoro e questa capacità di lavorare, che è immagazzinata nella disposizione che hanno, può tradursi in energia.

Ad esempio, gli esseri umani hanno sfruttato l'energia potenziale dell'acqua da tempo immemorabile, i primi mulini che girano e poi nelle piante idroelettriche.

Cascate del Niagara: un'enorme riserva di energia potenziale gravitazionale. Fonte: Pixabay.

D'altra parte, molti materiali hanno una notevole capacità di lavorare deformando e poi tornando alle dimensioni originali. E in altre circostanze, la disposizione della carica elettrica consente di archiviare l'energia potenziale elettrica, come in un condensatore.

L'energia potenziale offre molte possibilità di trasformarsi in altre utili forme di energia, quindi l'importanza di conoscere le leggi che la regolano. 

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Origine dell'energia potenziale

L'energia potenziale di un oggetto ha la sua origine nelle forze che lo influenzano. Tuttavia, l'energia potenziale è una grandezza scalare, mentre le forze sono vettoriali. Pertanto, per specificare l'energia potenziale, è sufficiente indicare il suo valore numerico e le unità selezionate.

Un'altra qualità importante è il tipo di forza con cui può essere immagazzinata l'energia potenziale, poiché nessuna forza ha questa virtù. Solo le forze conservatrici immagazzinano energia potenziale nei sistemi su cui agiscono.

Una forza conservativa è quella per la quale il lavoro non dipende dalla traiettoria seguita dall'oggetto, ma solo dal punto di partenza e dal punto di arrivo. La forza che guida l'acqua cade è la gravità, che è una forza conservativa.

D'altra parte, anche le forze elastiche ed elettrostatiche possiedono questa qualità, quindi c'è un'energia potenziale ad esse associata.

Forze che non soddisfano il requisito di cui sopra, sono chiamate non conservatori; Esempio di loro sono in attrito e resistenza all'aria.

Tipi di energia potenziale

Poiché l'energia potenziale deriva sempre da forze conservative come quelle già menzionate, si parla di energia potenziale gravitazionale, energia potenziale elastica, energia potenziale elettrostatica, energia potenziale nucleare e energia chimica di energia potenziale.

Energia potenziale gravitazionale

Qualsiasi oggetto ha un'energia potenziale in base all'altezza che hanno rispetto al suolo. Questo semplice fatto nell'aspetto, illustra perché la cascata è in grado di aumentare le turbine e infine trasformata in elettricità. L'esempio degli sciatori mostrati qui mostra anche la relazione tra peso e altezza con energia potenziale gravitazionale.

Un altro esempio è quello di un'auto di montagna a rulli, che ha una maggiore energia potenziale quando è a una certa altezza a terra. Una volta raggiunto il livello del pavimento, la sua altezza è uguale a zero e tutta la sua energia potenziale è stata trasformata in energia cinetica (energia di movimento).

L'animazione mostra lo scambio tra energia potenziale gravitazionale e energia cinetica, di un oggetto che si muove su una montagna russa. La somma di entrambe le energie, chiamata energia meccanica, è costante durante il movimento. Fonte: Wikimedia Commons.

Energia potenziale elastica

Oggetti come sorgenti, archi, balestre e campionati sono in grado di conservare l'energia potenziale elastica.

Quando l'arco è tempo, il portiere svolge un lavoro che viene immagazzinato come energia potenziale del sistema arco-fet. Quando l'arco rilascia, questa energia viene trasformata in movimento della freccia. Fonte: Pixabay.

L'elasticità di un corpo o di un materiale è descritta dalla legge di Hooke (fino a determinati limiti), il che ci dice che la forza in grado di esercitarsi quando compressa o allungata, è proporzionale alla sua deformazione.

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Ad esempio, in caso di primavera o primavera, ciò significa che più si restringe o si allunga, maggiore è la forza che può essere esercitata su un oggetto posizionato a un'estremità.

Energia potenziale elettrostatica

È l'energia che le cariche elettriche hanno sotto la loro configurazione. Le cariche elettriche dello stesso segno vengono respinte, per così posizionare un paio di carichi positivi - o negativi - in una certa posizione, un agente esterno deve funzionare. Altrimenti tenderebbero a separarsi.

Questo lavoro è memorizzato nel modo in cui si trovavano i carichi. Più sono vicini i carichi dello stesso segno, maggiore è l'energia potenziale che la configurazione avrà. Succede al contrario quando si tratta di carichi di segni diversi; Mentre attirano, più sono più vicini, meno energia potenziale hanno.

Energia potenziale nucleare

Atomo di elio approssimativo. Nel nucleo i protoni sono rappresentati in rosso e i neutroni in blu.

Il nucleo atomico è composto protoni e neutroni, genericamente chiamati Nucleoni. I primi hanno una carica elettrica positiva e i secondi sono neutrali.

Poiché sono agglomerati in un piccolo spazio oltre l'immaginazione e sapendo che i carichi dello stesso segno sono respinti, vale la pena chiederti come il nucleo atomico rimane coeso.

La risposta è in altre forze oltre alla repulsione elettrostatica, tipica del nucleo, come una forte interazione nucleare e una debole interazione nucleare. Queste sono forze molto intense, che superano di gran lunga la forza elettrostatica.

Energia potenziale chimica

Questa forma di energia potenziale deriva da come sono disponibili atomi e sostanze molecole, secondo i diversi tipi di legami chimici.

Quando viene fornita una reazione chimica, questa energia può essere trasformata in altri tipi, ad esempio da una batteria o una batteria elettrica.

Esempi di energia potenziale

L'energia potenziale è presente nella vita quotidiana in molti aspetti. Osservare i suoi effetti è facile come posizionare qualsiasi oggetto a una certa altezza e avere la certezza che può rotolare o cadere in qualsiasi momento.

Ecco alcune manifestazioni dei tipi di energia potenziali precedentemente descritti:

-Montagne russe

-Auto o palline che rotolano in discesa

-Archi e frecce

-Batterie elettriche

-Un pendolo dell'orologio

Quando una delle sfere estreme è in movimento, il movimento viene trasmesso agli altri. Fonte: Pixabay.

-Swing in un'altalena

-Spraw

-Usa una penna retrattile.

Vedi: Esempi di energia potenziale.

Calcolo energetico potenziale

L'energia potenziale dipende dal lavoro che rende forza e questo a sua volta non dipende dalla traiettoria, quindi si può affermare che:

-Se A e B sono due punti, il lavoro W_Ab  necessario passare da a a b, è uguale al lavoro necessario per passare da b a. Perciò: W_Ab = W_Ba, COSÌ:

W_Ab + W_Ba = 0

-E se vengono testate due diverse traiettorie 1 e 2 per unirsi a questi punti A e B, il lavoro svolto in entrambi i casi è lo stesso:

 W₁ = W₂.

In ogni caso, l'oggetto sperimenta un cambiamento nell'energia potenziale:

Cambiamento = energia potenziale finale - energia potenziale iniziale

ΔU = u_finale - O_iniziale = U_B - O_A

Bene, l'energia potenziale dell'oggetto è definita come il negativo del lavoro svolto dalla forza (conservatore):

ΔU = -w_Ab

Ma poiché il lavoro è definito da questo integrale:

Può servirti: i 31 tipi di forza in fisica e le loro caratteristiche

Dove F E DR (con grassetto o freccia accesa) sono rispettivamente i vettori di resistenza e spostamento. Con questo in mente, il cambiamento nell'energia potenziale è negativo di questo integrale:

Per forze conservative come descritte, l'integrale viene facilmente calcolato. 

Si noti che le unità di energia potenziale sono le stesse di quelle del lavoro. Nel sistema internazionale se l'unità è il joule, che è abbreviato ed equivalente a 1 Newton X Metro, del fisico inglese James Joule (1818-1889).

Altre unità per l'energia includono ERGIO nel sistema CGS, il piede X-FORK X, il BTU (Unità termica britannica), calorie e kilowatt-hora.

Vediamo alcuni casi particolari su come calcolare l'energia potenziale.

Calcolo dell'energia potenziale gravitazionale

Nella vicinanza della superficie terrestre, la forza di gravità punta verticalmente verso il basso e la sua grandezza è data dall'equazione Peso = gravità di massa x.

Indicando l'asse verticale con la lettera "y" e assegnando a questo indirizzo il vettore dell'unità J, positivo e negativo in basso, il cambiamento nell'energia potenziale quando un corpo si sposta da y = y_A Fino a y = y_B È:

Dove M rappresenta il corpo del corpo e G Il valore dell'accelerazione della gravità. Se sei scelto e_A = 0 come livello di riferimento a terra, in cui U è fisso come 0, hai:

U (y) = mgy

Calcolo dell'energia potenziale elastica

La legge di Hooke ci dice che la forza è proporzionale alla deformazione:

F = -k.X

Qui X È la deformazione e K È una costante della molla, che indica quanto sia rigido. Attraverso questa espressione, viene calcolata l'energia potenziale elastica, tenendo conto di ciò Yo È il vettore dell'unità nella direzione orizzontale:

Quando si sceglie O_A = 0 In  X_A, L'espressione precedente è la funzione U (x) Per l'energia potenziale della primavera:

U (x) = ½ kx²

Calcolo elettrostatico dell'energia potenziale

Quando hai una carica elettrica puntuale, produce un campo elettrico che percepisce un altro carico puntuale Q, E cosa funziona su di esso quando si sposta da una posizione all'altra nel mezzo del campo. La forza elettrostatica tra due carichi specifici ha una direzione radiale, simboleggiata attraverso il vettore dell'unità R:

 Qui K_E È la costante elettrostatica o costante di Coulomb, il cui valore è K_E ≈ 9 x 10⁹  N.M² /C² In unità di sistema internazionale. Ne consegue che:

 Selezionando u = 0 quando r_A → ∞, rimane:

Esercizi risolti

- Esercizio 1: una primavera che si estende

Una primavera la cui costante è K = 10.0 N/cm inizialmente si estende 1.00 cm dalla sua lunghezza di equilibrio. È richiesto di calcolare l'energia aggiuntiva necessaria per allungare la molla fino a 5.00 cm oltre la sua lunghezza di equilibrio.

Soluzione 

Sostituire direttamente x = 1.00 cm nell'equazione per u (x).CM, ma i centimetri devono diventare contatori per ottenere energia in Joules:

U (1) = 0.5 x 10.0 n/cm x (1.00 cm)² = 5 n. cm = 0.05 J; U (5) = 0.5 x 10.0 n/cm x (5.00 cm)² = 125 n.cm = 1.25 J

Pertanto la differenza di energia ricercata è 1.25 - 0.05 j = 1.20 J.

- Esercizio 2: forze conservative e non conservatori

Un piccolo blocco dal punto A viene rilasciato dal riposo, in modo che scivola lungo la rampa curva senza attrito verso il punto B. Da lì entra in una lunga superficie orizzontale ruvida, con un coefficiente di attrito dinamico μ_K = 0.2. Trova a quale distanza dal punto B si ferma, supponendo che h_A= 3m.

Può servirti: Barrada Spiral Galaxy: Formation, Evolution, CaractisticsFigura per esempio 1. Fonte: f. Zapata.

Soluzione 

Quando il blocco è ad un'altezza h_A Per quanto riguarda il pavimento, ha energia potenziale gravitazionale a causa della sua altezza. Dopo aver lasciato andare, questa energia potenziale diventa gradualmente energia cinetica e mentre scivola attraverso la rampa curva liscia, la sua velocità sta aumentando.

Durante il viaggio da A a B, le equazioni del movimento rettilinea uniformemente variano non possono essere applicate. Mentre la gravità è responsabile del movimento del blocco, il movimento che questa sperimenta è più complesso, perché la traiettoria non è rettilinea.

Conservazione energetica sulla rotta AB

Tuttavia, poiché la gravità è una forza conservativa e nella rampa non c'è attrito, la conservazione dell'energia meccanica può essere usata per trovare la velocità quando raggiunge la fine della rampa:

Energia meccanica a a = energia meccanica in b

M.G.H_A + ½ m.v_A² = m.G.H_B + ½ m.v_B²

L'espressione è semplificata notando che la massa appare in ogni termine. È rilasciato da Rest V_A = 0. E h_B È a livello del suolo, h_B = 0. Con queste semplificazioni, l'espressione è ridotta a:

v_B² = Gh_A

Lavoro svolto sfregando nella sezione BC

Ora il blocco inizia il suo percorso nella sezione ruvida con questa velocità e infine si ferma al punto C. Quindi v_C = 0. L'energia meccanica non è più conservata, perché l'attrito è una forza dissipativa, che ha svolto un lavoro sul blocco dato da:

W_tocco = -Frue di attrito x distanza percorsa

Questo lavoro ha un segno negativo, poiché l'attrito cinetico rallenta l'oggetto, opporsi al suo movimento. L'entità dell'attrito cinetico F_K  È:

F_K = μ_K .N

Dove n è l'entità della forza normale. La forza normale viene esercitata dalla superficie sul blocco e poiché la superficie è totalmente orizzontale, in quanto bilancia il peso P = mg, Pertanto l'entità del normale è:

N = mg

A cosa porta a:

F_K = μ_K .mg

Il lavoro che F_K Fa sul blocco è: W_K = - f_K .D =- μ_K .mg.D.

Calcolo del cambiamento nell'energia meccanica

Questo lavoro è equivalente alla variazione dell'energia meccanica, calcolata in questo modo:

Energia meccanica in C - energia meccanica a b =

ΔE_M = (U_C +K_C)- (O_B + K_B) = - μ_K .mg.D

In questa equazione ci sono alcuni termini annullati: k_C = 0, poiché il blocco si ferma in C ed è anche annullato U_C = U_B, per essere questi punti a livello del suolo. La semplificazione si traduce in:

- K_B = - μ_K .M.G.D

½ m.v_B² = μ_K .M.G.D

L'impasto viene nuovamente annullato e può essere ottenuto come segue:

D = (½ v_B²)/(μ_K . G) = (½ v_B²)/(μ_K . g) = (½g.H_A)/(μ_K . g) = (½h_A)/μ_K = 0.5 x 3 m / 0.2 = 7.5m

Riferimenti

1. Bauer, w. 2011. Fisica per ingegneria e scienze. Volume 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, d. (2005). Serie: Physics for Science and Engineering. Volume 2. Dinamico. A cura di Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, d.  2006. Fisica: principi con applicazioni. 6 °. Ed Prentice Hall.
4. Cavaliere, r.  2017. Fisica per scienziati e ingegneria: un approccio strategico. Pearson. 
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisica universitaria con fisica moderna. 14 °. Ed. Volume 1-2.