Karakteristik energi potensial, jenis, perhitungan dan contoh

Itu energi potensial Itu adalah energi yang dimiliki tubuh di bawah konfigurasi mereka. Ketika objek berinteraksi, ada kekuatan yang mampu melakukan pekerjaan, dan kemampuan untuk melakukan pekerjaan ini, yang disimpan dalam disposisi yang mereka miliki, dapat diterjemahkan menjadi energi.

Misalnya, manusia telah memanfaatkan potensi energi air yang jatuh sejak dahulu kala, pabrik pemintalan pertama dan kemudian di pabrik hidroelektrik.

Niagara Falls: Cadangan energi potensial gravitasi besar. Sumber: Pixabay.

Di sisi lain, banyak bahan memiliki kemampuan luar biasa untuk melakukan pekerjaan dengan mendeformasi dan kemudian kembali ke ukuran aslinya. Dan dalam keadaan lain, pengaturan muatan listrik memungkinkan untuk menyimpan energi potensial listrik, seperti di kondensor.

Energi potensial menawarkan banyak kemungkinan untuk berubah menjadi bentuk energi yang berguna lainnya, oleh karena itu pentingnya mengetahui hukum yang mengaturnya. 

[TOC]

Asal energi potensial

Energi potensial suatu objek berawal dari kekuatan yang mempengaruhi itu. Namun, energi potensial adalah besarnya skalar, sedangkan gaya adalah vektor. Oleh karena itu, untuk menentukan energi potensial, cukup untuk menunjukkan nilai numeriknya dan unit yang dipilih.

Kualitas penting lainnya adalah jenis kekuatan yang dapat disimpan energi potensial, karena tidak ada kekuatan yang memiliki kebajikan ini. Hanya kekuatan konservatif yang menyimpan energi potensial dalam sistem tempat mereka bertindak.

Kekuatan konservatif adalah bahwa pekerjaan tidak tergantung pada lintasan diikuti oleh objek, tetapi hanya pada titik awal dan titik kedatangan. Gaya yang mendorong air jatuh adalah gravitasi, yang merupakan gaya konservatif.

Di sisi lain, kekuatan elastis dan elektrostatik juga memiliki kualitas ini, oleh karena itu ada energi potensial yang terkait dengannya.

Pasukan yang tidak memenuhi persyaratan yang disebutkan di atas, mereka disebut non -konservatif; Contohnya adalah gesekan dan ketahanan udara.

Jenis energi potensial

Karena energi potensial selalu berasal dari kekuatan konservatif seperti yang sudah disebutkan, ada pembicaraan tentang energi potensial gravitasi, energi potensial elastis, energi potensial elektrostatik, energi potensial nuklir dan energi kimia potensial energi potensial.

Energi potensial gravitasi

Objek apa pun memiliki energi potensial berdasarkan ketinggian yang mereka miliki sehubungan dengan tanah. Fakta sederhana dalam penampilan ini, menggambarkan karena air terjun mampu meningkatkan turbin dan akhirnya berubah menjadi listrik. Contoh pemain ski yang ditampilkan di sini juga menunjukkan hubungan berat dan tinggi dengan energi potensial gravitasi.

Contoh lain adalah mobil gunung roller, yang memiliki energi potensial yang lebih besar saat berada pada ketinggian tertentu di tanah. Setelah mencapai tingkat lantai, tingginya sama dengan nol dan semua energi potensial telah diubah menjadi energi kinetik (energi gerakan).

Animasi menunjukkan pertukaran antara energi potensial gravitasi dan energi kinetik, dari objek yang bergerak pada roller coaster. Jumlah kedua energi, yang disebut energi mekanik, konstan di seluruh gerakan. Sumber: Wikimedia Commons.

Energi potensial elastis

Objek seperti mata air, lengkungan, panah batang dan liga mampu menyimpan energi potensial elastis.

Saat tegang busur, kiper melakukan pekerjaan yang disimpan sebagai energi potensial dari sistem busur-fet. Saat busur dilepaskan, energi ini diubah menjadi pergerakan panah. Sumber: Pixabay.

Elastisitas tubuh atau bahan dijelaskan oleh hukum Hooke (hingga batas tertentu), yang memberi tahu kita bahwa kekuatan yang mampu mengerahkan saat dikompresi atau diregangkan, sebanding dengan deformasinya.

Dapat melayani Anda: feromagnetisme: bahan, aplikasi dan contoh

Misalnya dalam kasus pegas atau pegas, ini berarti semakin menyusut atau meregangkan, semakin besar gaya yang dapat diberikan pada objek yang ditempatkan di satu ujung.

Energi potensial elektrostatik

Itu adalah energi yang dimiliki biaya listrik di bawah konfigurasi mereka. Muatan listrik dari tanda yang sama ditolak, jadi untuk menempatkan beberapa beban positif - atau negatif - dalam posisi tertentu, agen eksternal harus melakukan pekerjaan. Kalau tidak, mereka akan cenderung berpisah.

Pekerjaan ini disimpan dengan cara di mana beban berada. Semakin dekat beban dari tanda yang sama, semakin besar energi potensial yang akan dimiliki konfigurasi. Itu terjadi sebaliknya ketika datang ke berbagai tanda beban; Karena mereka menarik, semakin dekat mereka, semakin sedikit energi potensial yang mereka miliki.

Energi potensial nuklir

Perkiraan atom helium. Di dalam nukleus proton direpresentasikan dengan warna merah dan neutron berwarna biru.

Nukleus atom adalah proton dan neutron, secara umum disebut Nukleon. Yang pertama memiliki muatan listrik yang positif dan yang terakhir netral.

Karena mereka diaglomerasi dalam ruang kecil di luar imajinasi, dan mengetahui bahwa beban tanda yang sama ditolak, ada baiknya menanyakan bagaimana nukleus atom tetap kohesif.

Jawabannya adalah dengan gaya lain selain tolakan elektrostatik, khas dari nukleus, seperti interaksi nuklir yang kuat dan interaksi nuklir yang lemah. Ini adalah kekuatan yang sangat intens, yang jauh melebihi gaya elektrostatik.

Energi potensial kimia

Bentuk energi potensial ini berasal dari bagaimana atom dan molekul zat tersedia, sesuai dengan berbagai jenis ikatan kimia.

Ketika reaksi kimia diberikan, energi ini dapat diubah menjadi jenis lain, misalnya dengan baterai atau baterai listrik.

Contoh energi potensial

Energi potensial hadir dalam kehidupan sehari -hari dalam banyak aspek. Mengamati efeknya semudah menempatkan objek apa pun pada ketinggian tertentu dan memiliki kepastian bahwa ia dapat berguling atau jatuh kapan saja.

Berikut adalah beberapa manifestasi dari jenis energi potensial yang dijelaskan sebelumnya:

-Roller coaster

-Mobil atau bola bergulir menuruni bukit

-Busur dan panah

-Baterai listrik

-Pendulum jam

Ketika salah satu bidang ekstrem bergerak, gerakan ini ditransmisikan ke yang lain. Sumber: Pixabay.

-Mengayunkan

-Spraw

-Gunakan pena yang dapat ditarik.

Lihat: Contoh energi potensial.

Perhitungan energi potensial

Energi potensial tergantung pada pekerjaan yang membuat kekuatan dan ini pada gilirannya tidak tergantung pada lintasan, maka dapat ditegaskan bahwa:

-Jika A dan B adalah dua poin, pekerjaan W_AB  diperlukan untuk beralih dari A ke B, itu sama dengan pekerjaan yang diperlukan untuk beralih dari B ke A. Karena itu: W_AB = W_Ba, Jadi:

W_AB + W_Ba = 0

-Dan jika dua lintasan yang berbeda 1 dan 2 diuji untuk bergabung dengan titik -titik ini A dan B, pekerjaan yang dilakukan dalam kedua kasus juga sama:

 W₁ = W₂.

Bagaimanapun, objek mengalami perubahan energi potensial:

Ubah = Energi Potensi Akhir - Energi Potensial Awal

ΔU = u_terakhir - ATAU_awal = U_B - ATAU_KE

Nah, energi potensial dari objek didefinisikan sebagai negatif dari pekerjaan yang dilakukan dengan paksa (konservatif):

ΔU = -W_AB

Tetapi karena pekerjaan didefinisikan oleh integral ini:

Dapat melayani Anda: 31 jenis kekuatan dalam fisika dan karakteristiknya

Di mana F Dan DR (dengan tebal atau panah) masing -masing adalah vektor kekuatan dan perpindahan. Dengan mengingat hal ini, perubahan energi potensial adalah negatif dari integral ini:

Untuk kekuatan konservatif seperti yang dijelaskan, integral dengan mudah dihitung. 

Perhatikan bahwa unit energi potensial sama dengan pekerjaan. Dalam sistem internasional jika unit tersebut adalah Joule, yang disingkat dan setara dengan 1 Newton x Metro, Oleh fisikawan Inggris James Joule (1818-1889).

Unit lain untuk energi termasuk ergio dalam sistem CGS, pound-fork x foot, btu (UNIT TERMAL Inggris), kalori dan kilowatt-hora.

Mari kita lihat beberapa kasus tertentu tentang cara menghitung energi potensial.

Perhitungan energi potensial gravitasi

Di sekitar permukaan bumi, gaya gravitasi menunjuk secara vertikal ke bawah dan besarnya diberikan oleh persamaan Berat = gravitasi massa x.

Menunjukkan sumbu vertikal dengan huruf "y" dan menugaskan alamat ini vektor unit J, positif dan negatif turun, perubahan energi potensial saat tubuh bergerak y = y_KE sampai y = y_B adalah:

Di mana M mewakili tubuh tubuh dan G Nilai percepatan gravitasi. Jika Anda dipilih dan_KE = 0 sebagai level referensi di tanah, di mana U ditetapkan sebagai 0, Anda memiliki:

U (y) = mgy

Perhitungan energi potensial elastis

Hukum Hooke memberi tahu kita bahwa kekuatan sebanding dengan deformasi:

F = -k.X

Di Sini X Itu adalah deformasi dan k Itu adalah konstanta pegas, yang menunjukkan seberapa kaku itu. Melalui ekspresi ini, energi potensial elastis dihitung, dengan mempertimbangkan itu yo Ini adalah vektor unit dalam arah horizontal:

Saat memilih ATAU_KE = 0 di dalam  X_KE, Ekspresi sebelumnya adalah fungsinya U (x) Untuk energi potensial musim semi:

U (x) = ½ kx²

Perhitungan energi potensial elektrostatik

Saat Anda memiliki muatan listrik tepat waktu, ia menghasilkan medan listrik yang merasakan beban tepat waktu lain Q, Dan apa yang berhasil saat bergerak dari satu posisi ke posisi lain di tengah lapangan. Gaya elektrostatik antara dua beban spesifik memiliki arah radial, dilambangkan melalui vektor unit R:

 Di Sini k_Dan Itu adalah konstanta elektrostatik atau konstan dari Coulomb, yang nilainya k_Dan ≈ 9 x 10⁹  N.M² /C² Di unit sistem internasional. Itu mengikuti itu:

 Memilih u = 0 saat r_KE → ∞, tetap:

Latihan terpecahkan

- Latihan 1: Musim semi yang membentang

Pegas yang konstannya k = 10.0 n/cm awalnya meregangkan 1.00 cm dari panjang keseimbangannya. Itu diminta untuk menghitung energi tambahan yang diperlukan untuk meregangkan pegas hingga 5.00 cm di luar panjang keseimbangannya.

Larutan 

Mengganti langsung x = 1.00 cm dalam persamaan untuk u (x).cm, tetapi sentimeter harus menjadi meter untuk mendapatkan energi di joule:

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

Oleh karena itu perbedaan energi yang dicari adalah 1.25 - 0.05 j = 1.20 j.

- Latihan 2: Pasukan Konservatif dan Non -Konservatif

Blok kecil dari titik A dilepaskan dari istirahat, sehingga tergelincir di sepanjang jalan melengkung tanpa gesekan ke titik B. Dari sana ia memasuki permukaan horizontal kasar yang panjang, dengan koefisien gesekan dinamis μ_k = 0.2. Temukan pada jarak mana dari titik B berhenti, dengan asumsi h_KE= 3m.

Dapat melayani Anda: galaksi spiral barrada: pembentukan, evolusi, karakteristikGambar misalnya 1. Sumber: f. Zapata.

Larutan 

Saat blok berada pada ketinggian h_KE Mengenai lantai, ia memiliki energi potensial gravitasi karena tingginya. Setelah melepaskan, energi potensial ini secara bertahap menjadi energi kinetik, dan saat menyelinap melalui jalan melengkung yang halus, kecepatannya meningkat.

Selama perjalanan dari A ke B, persamaan gerakan bujursangkar yang bervariasi secara seragam tidak dapat diterapkan. Sementara gravitasi bertanggung jawab atas pergerakan blok, gerakan yang pengalaman ini lebih kompleks, karena lintasannya bukan bujursangkar.

Konservasi Energi di Rute AB

Namun, karena gravitasi adalah gaya konservatif dan di jalan tidak ada gesekan, konservasi energi mekanik dapat digunakan untuk menemukan kecepatan ketika mencapai ujung jalan:

Energi mekanik pada A = energi mekanik di b

M.G.H_KE + ½ m.v_KE² = m.G.H_B + ½ m.v_B²

Ekspresi disederhanakan dengan memperhatikan bahwa massa muncul dalam setiap istilah. Dilepaskan dari istirahat v_KE = 0. Dan H_B Itu di permukaan tanah, h_B = 0. Dengan penyederhanaan ini, ekspresi dikurangi menjadi:

v_B² = GH_KE

Pekerjaan dilakukan dengan menggosok di bagian bc

Sekarang blok memulai rutenya di bagian kasar dengan kecepatan ini dan akhirnya berhenti di titik c. Oleh karena itu v_C = 0. Energi mekanik tidak lagi dipertahankan, karena gesekan adalah kekuatan disipatif, yang telah melakukan pekerjaan di blok yang diberikan oleh:

W_menyentuh = -Frue gesekan x jarak ditempuh

Karya ini memiliki tanda negatif, karena gesekan kinetik melambat ke objek, menentang gerakannya. Besarnya gesekan kinetik F_k  adalah:

F_k = μ_k .N

Di mana n adalah besarnya gaya normal. Gaya normal diberikan oleh permukaan pada blok, dan karena permukaannya benar -benar horizontal, karena menyeimbangkan berat P = mg, Oleh karena itu besarnya normal adalah:

N = mg

Apa yang mengarah ke:

F_k = μ_k .mg

Pekerjaan itu F_k Membuat di blok adalah: W_k = - f_k .D =- μ_k .mg.D.

Perhitungan perubahan energi mekanik

Pekerjaan ini setara dengan perubahan energi mekanik, dihitung seperti ini:

Energi mekanik dalam energi mekanik di B =

ΔE_M = (U_C +K_C)- (ATAU_B + K_B) = - μ_k .mg.D

Dalam persamaan ini ada beberapa istilah yang dibatalkan: k_C = 0, karena blok berhenti di C dan juga dibatalkan_C = U_B, untuk menjadi titik -titik ini di permukaan tanah. Hasil penyederhanaan dalam:

- K_B = - μ_k .M.G.D

½ m.v_B² = μ_k .M.G.D

Adonan dibatalkan lagi dan dapat diperoleh sebagai berikut:

D = (½ V_B²)/(μ_k . G) = (½ V_B²)/(μ_k . g) = (½g.H_KE)/(μ_k . g) = (½h_KE)/μ_k = 0.5 x 3 m / 0.2 = 7.5m

Referensi

1. Bauer, w. 2011. Fisika untuk Teknik dan Ilmu Pengetahuan. Volume 1. MC Graw Hill.
2. Figueroa, d. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 2. Dinamis. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, d.  2006. Fisika: Prinsip dengan aplikasi. 6. Ed Prentice Hall.
4. Knight, r.  2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson. 
5. Sears, Zemansky. 2016. Fisika Universitas dengan Fisika Modern. 14. Ed. Volume 1-2.