TENAGA BERPOTENSI: CIRI, JENIS, PENGIRAAN DAN CONTOH - FIZIKAL - 2025

The tenaga keupayaan adalah tenaga yang badan-badan di bawah konfigurasi sendiri. Apabila objek berinteraksi, ada kekuatan di antara mereka yang mampu melakukan kerja, dan kemampuan melakukan kerja ini, yang disimpan dalam susunannya, dapat diterjemahkan menjadi tenaga.

Sebagai contoh, manusia telah memanfaatkan potensi tenaga air terjun sejak dahulu lagi, pertama dengan kilang berputar dan kemudian di loji hidroelektrik.

Air Terjun Niagara: takungan besar tenaga berpotensi graviti. Sumber: Pixabay.

Sebaliknya, banyak bahan mempunyai kemampuan luar biasa untuk melakukan kerja dengan ubah bentuk dan kemudian kembali ke ukuran asalnya. Dan dalam keadaan lain, susunan cas elektrik memungkinkan penyimpanan tenaga berpotensi elektrik, seperti misalnya dalam kapasitor.

Tenaga berpotensi menawarkan banyak kemungkinan untuk diubah menjadi bentuk tenaga boleh guna yang lain, oleh itu pentingnya mengetahui undang-undang yang mengaturnya.

Asal tenaga berpotensi

Tenaga berpotensi objek berasal dari daya yang mempengaruhinya. Walau bagaimanapun, tenaga berpotensi adalah kuantiti skalar, sementara daya adalah vektor. Oleh itu, untuk menentukan tenaga berpotensi, cukup untuk menunjukkan nilai berangka dan unit yang dipilih.

Kualiti penting lain adalah jenis daya yang dapat disimpan oleh tenaga berpotensi, kerana tidak setiap kekuatan memiliki kebajikan ini. Hanya kekuatan konservatif yang menyimpan tenaga berpotensi dalam sistem di mana mereka bertindak.

Kekuatan konservatif adalah kekuatan yang tidak bergantung pada jalan yang diikuti oleh objek, tetapi hanya pada titik permulaan dan titik kedatangan. Daya yang mendorong air jatuh adalah graviti, yang merupakan daya konservatif.

Sebaliknya, daya elastik dan elektrostatik juga mempunyai kualiti ini, oleh itu terdapat potensi tenaga yang berkaitan dengannya.

Pasukan yang tidak memenuhi syarat tersebut disebut tidak konservatif; Contohnya ialah pada geseran dan rintangan udara.

Jenis tenaga berpotensi

Oleh kerana tenaga berpotensi selalu berasal dari daya konservatif seperti yang telah disebutkan, kita bercakap mengenai tenaga berpotensi graviti, tenaga berpotensi elastik, tenaga berpotensi elektrostatik, tenaga berpotensi nuklear, dan tenaga berpotensi kimia.

Tenaga berpotensi graviti

Mana-mana objek mempunyai tenaga berpotensi sebagai fungsi ketinggiannya dari tanah. Fakta yang nampak sederhana ini menggambarkan mengapa air yang jatuh mampu menggerakkan turbin dan akhirnya diubah menjadi tenaga elektrik. Contoh pemain ski yang ditunjukkan di sini juga menunjukkan hubungan berat dan tinggi dengan tenaga keupayaan graviti.

Contoh lain ialah kereta roller coaster, yang mempunyai potensi tenaga yang lebih tinggi ketika berada pada ketinggian tertentu di atas tanah. Setelah mencapai permukaan tanah, tingginya sama dengan sifar dan semua tenaga potensinya telah berubah menjadi tenaga kinetik (tenaga gerakan).

Animasi menunjukkan pertukaran antara tenaga berpotensi graviti dan tenaga kinetik, objek bergerak di roller coaster. Jumlah kedua-dua tenaga, yang dipanggil tenaga mekanikal, adalah berterusan sepanjang pergerakan. Sumber: Wikimedia Commons.

Tenaga berpotensi elastik

Objek seperti mata air, busur, busur, dan tali getah mampu menyimpan tenaga berpotensi elastik.

Dengan melukis busur, pemanah melakukan kerja yang disimpan sebagai tenaga berpotensi sistem panah busur. Apabila anda melepaskan busur, tenaga ini diubah menjadi pergerakan anak panah. Sumber: Pixabay.

Keanjalan badan atau bahan dijelaskan oleh undang-undang Hooke (hingga batas tertentu), yang memberitahu kita bahawa daya yang dapat dilakukan ketika dimampatkan atau diregangkan sebanding dengan ubah bentuknya.

Contohnya jika berlaku musim bunga atau musim bunga, ini bermaksud bahawa semakin banyaknya mengecut atau meregang, semakin besar kekuatan yang dapat diberikan pada objek yang diletakkan di satu hujungnya.

Tenaga berpotensi elektrostatik

Tenaga elektrik mempunyai tenaga berdasarkan konfigurasi mereka. Caj elektrik dengan tanda yang sama saling tolak, jadi untuk meletakkan sepasang cas positif atau negatif pada kedudukan tertentu, ejen luaran mesti melakukan kerja. Jika tidak, mereka cenderung berpisah.

Karya ini disimpan dengan cara beban berada. Semakin dekat caj tanda yang sama, semakin tinggi potensi tenaga yang akan dimiliki konfigurasi. Sebaliknya berlaku apabila terdapat banyak tanda yang berbeza; Semasa mereka menarik antara satu sama lain, semakin dekat mereka, semakin sedikit potensi tenaga yang mereka ada.

Tenaga berpotensi nuklear

Perwakilan anggaran atom Helium. Dalam nukleus proton dilambangkan dengan warna merah dan neutron berwarna biru.

Nukleus atom terdiri daripada proton dan neutron, yang secara umum disebut nukleon. Yang pertama mempunyai cas elektrik positif dan yang terakhir tidak neutral.

Oleh kerana mereka terkumpul di ruang kecil di luar imaginasi, dan mengetahui bahawa caj tanda yang sama saling tolak, maka kita bertanya-tanya bagaimana inti atom tetap bersatu.

Jawapannya terletak pada kekuatan lain selain tolakan elektrostatik, ciri inti, seperti interaksi nuklear yang kuat dan interaksi nuklear yang lemah. Ini adalah daya yang sangat kuat, jauh melebihi daya elektrostatik.

Tenaga berpotensi kimia

Bentuk tenaga berpotensi ini berasal dari bagaimana atom dan molekul zat disusun, mengikut pelbagai jenis ikatan kimia.

Apabila tindak balas kimia berlaku, tenaga ini dapat diubah menjadi jenis lain, misalnya dengan menggunakan sel atau bateri elektrik.

Contoh tenaga berpotensi

Tenaga berpotensi terdapat dalam kehidupan seharian dengan pelbagai cara. Memerhatikan kesannya semudah meletakkan objek pada ketinggian tertentu dan memastikan ia boleh berguling atau jatuh pada bila-bila masa.

Berikut adalah beberapa manifestasi jenis tenaga berpotensi yang dijelaskan sebelumnya:

- Roller coaster

-Kereta atau bola bergulir ke bawah

-Haluan dan panah

-Bateri elektrik

-Jam bandul

Apabila salah satu sfera di hujungnya digerakkan, pergerakannya dihantar ke yang lain. Sumber: Pixabay.

-Mengayunkan buaian

-Lompat dengan trampolin

-Gunakan pen yang boleh ditarik balik.

Lihat: contoh tenaga berpotensi.

Pengiraan tenaga berpotensi

Tenaga berpotensi bergantung pada kerja yang dilakukan oleh kekuatan dan ini pada gilirannya tidak bergantung pada lintasan, sehingga dapat dinyatakan bahawa:

-Jika A dan B adalah dua titik, kerja W _{AB yang} diperlukan untuk pergi dari A ke B sama dengan kerja yang diperlukan untuk pergi dari B ke A. Oleh itu: W _AB = W _BA , jadi:

-Dan jika dua lintasan berbeza 1 dan 2 dicuba untuk bergabung dengan titik A dan B, kerja yang dilakukan dalam kedua-dua kes itu juga sama:

W ₁ = W ₂ .

Dalam kedua-dua kes, objek mengalami perubahan tenaga berpotensi:

Nah, tenaga keupayaan objek ditakrifkan sebagai negatif kerja yang dilakukan oleh kekuatan (konservatif):

Tetapi kerana kerja ditentukan oleh kamiran ini:

:

Perhatikan bahawa unit tenaga berpotensi sama dengan unit kerja. Dalam Sistem Antarabangsa SI unitnya adalah joule, yang disingkat J dan sama dengan 1 newton x meter, oleh ahli fizik Inggeris James Joule (1818-1889).

Unit tenaga lain termasuk cgs erg, pound-force x foot, BTU (British Thermal Unit), kalori, dan kilowatt-hour.

Mari kita lihat di bawah beberapa kes tertentu mengenai cara mengira tenaga berpotensi.

Pengiraan tenaga keupayaan graviti

Di sekitar permukaan bumi, daya graviti menunjuk secara menegak ke bawah dan besarannya diberikan oleh persamaan Berat = jisim x graviti.

Menandakan paksi menegak dengan huruf "y" dan memberikan arah ini unit vektor j , positif dan negatif turun, perubahan tenaga berpotensi apabila badan bergerak dari y = y _A ke y = dan _B adalah :

Pengiraan tenaga keupayaan elastik

Undang-undang Hooke memberitahu kita bahawa daya sebanding dengan ubah bentuk:

Di sini x adalah ketegangan dan k adalah pemalar eigen pada musim bunga, yang menunjukkan betapa kakunya. Melalui ungkapan ini, tenaga keupayaan elastik dikira, dengan mengambil kira bahawa saya adalah vektor unit dalam arah mendatar:

Pengiraan tenaga keupayaan elektrostatik

Apabila anda mempunyai muatan elektrik titik Q, ia menghasilkan medan elektrik yang merasakan cas titik q yang lain, dan yang berfungsi di atasnya apabila dipindahkan dari satu kedudukan ke kedudukan yang lain di tengah medan. Daya elektrostatik antara cas dua titik mempunyai arah radial, dilambangkan oleh vektor unit r :

Gambar contohnya 1. Sumber: F. Zapata.

Penyelesaian

Apabila blok berada pada ketinggian h _A sehubungan dengan lantai, ia mempunyai tenaga berpotensi graviti kerana ketinggiannya. Apabila dilepaskan, tenaga berpotensi ini secara beransur-ansur diubah menjadi tenaga kinetik, dan ketika meluncur ke jalan melengkung yang licin, kelajuannya meningkat.

Semasa jalan dari A ke B, persamaan gerakan segiempat yang seragam tidak dapat diterapkan. Walaupun graviti bertanggungjawab untuk pergerakan blok, pergerakan yang dialaminya lebih kompleks, kerana lintasan tidak lurus.

Penjimatan tenaga di jalan AB

Walau bagaimanapun, kerana graviti adalah daya konservatif dan tidak ada geseran di tanjakan, anda boleh menggunakan penjimatan tenaga mekanikal untuk mencari kelajuan di hujung tanjakan:

Ungkapan dipermudah dengan memperhatikan bahawa massa muncul dalam setiap istilah. Ia dibebaskan dari rehat v _A = 0. Dan h _B berada di permukaan tanah, h _B = 0. Dengan penyederhanaan ini, ekspresi berkurang menjadi:

Kerja dilakukan dengan menggosok di bahagian BC

Sekarang blok memulakan perjalanannya di bahagian kasar dengan kelajuan ini dan akhirnya berhenti pada titik C. Oleh itu v _C = 0. Tenaga mekanikal tidak lagi terpelihara, kerana geseran adalah daya disipatif, yang telah membuat bekerja di blok yang diberikan oleh:

Karya ini mempunyai tanda negatif, kerana geseran kinetik memperlahankan objek, menentang pergerakannya. Besarnya geseran kinetik f _k adalah:

Di mana N ialah magnitud daya normal. Daya normal diberikan oleh permukaan pada blok, dan kerana permukaannya benar-benar mendatar, ia mengimbangkan berat P = mg, oleh itu besarnya normal adalah:

Yang membawa kepada:

Kerja yang dilakukan f _k pada blok ialah: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Pengiraan perubahan tenaga mekanikal

Kerja ini setara dengan perubahan tenaga mekanikal, dikira seperti ini:

Dalam persamaan ini terdapat beberapa istilah yang hilang: K _C = 0, kerana blok berhenti di C dan U _C = U _B juga hilang , kerana titik-titik ini berada di permukaan tanah. Penyederhanaan menghasilkan:

Jisim sekali lagi dibatalkan dan D dapat diperoleh seperti berikut:

Rujukan

1. Bauer, W. 2011. Fizik untuk Kejuruteraan dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). Siri: Fizik untuk Sains dan Kejuruteraan. Jilid 2. Dinamika. Disunting oleh Douglas Figueroa (USB).
3. Giancoli, D. 2006. Fizik: Prinsip dengan Aplikasi. Ke-6. Dewan Ed Prentice.
4. Knight, R. 2017. Fizik untuk Saintis dan Kejuruteraan: Pendekatan Strategi. Pearson.
5. Sears, Zemansky. 2016. Fizik Universiti dengan Fizik Moden. 14hb. Ed. Jilid 1-2.