พลังงานศักย์: ลักษณะประเภทการคำนวณและตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

พลังงานที่มีศักยภาพเป็นพลังงานที่ร่างกายภายใต้การกำหนดค่าของตัวเอง เมื่อวัตถุมีปฏิสัมพันธ์กันจะมีแรงระหว่างพวกมันที่สามารถทำงานได้และความสามารถในการทำงานนี้ซึ่งเก็บไว้ในการจัดเรียงของพวกมันสามารถแปลเป็นพลังงานได้

ตัวอย่างเช่นมนุษย์ได้ควบคุมพลังงานศักย์ของน้ำตกมาตั้งแต่ไหน แต่ไรก่อนอื่นโดยการปั่นด้ายจากนั้นก็ที่โรงไฟฟ้าพลังน้ำ

น้ำตกไนแองการ่า: แหล่งกักเก็บพลังงานศักย์โน้มถ่วงขนาดใหญ่ ที่มา: Pixabay

ในทางกลับกันวัสดุหลายชนิดมีความสามารถที่โดดเด่นในการทำงานโดยการเปลี่ยนรูปแล้วกลับสู่ขนาดเดิม และในสถานการณ์อื่น ๆ การจัดเรียงของประจุไฟฟ้าจะช่วยให้สามารถเก็บพลังงานศักย์ไฟฟ้าได้เช่นในตัวเก็บประจุ

พลังงานที่มีศักยภาพมีความเป็นไปได้มากมายที่จะเปลี่ยนเป็นพลังงานที่ใช้งานได้ในรูปแบบอื่นดังนั้นความสำคัญของการรู้กฎหมายที่ควบคุมมัน

แหล่งกำเนิดพลังงานศักย์

พลังงานศักย์ของวัตถุมีจุดกำเนิดจากแรงที่กระทบกับวัตถุนั้น อย่างไรก็ตามพลังงานศักย์เป็นปริมาณสเกลาร์ในขณะที่กองกำลังเป็นเวกเตอร์ ดังนั้นเพื่อระบุพลังงานศักย์จึงเพียงพอที่จะระบุค่าตัวเลขและหน่วยที่เลือก

คุณภาพที่สำคัญอีกประการหนึ่งคือประเภทของแรงที่สามารถกักเก็บพลังงานศักย์ได้เนื่องจากไม่ใช่ทุกแรงที่มีคุณธรรมนี้ กองกำลังอนุรักษ์นิยมเท่านั้นที่เก็บพลังงานศักย์ไว้ในระบบที่พวกมันกระทำ

แรงอนุรักษ์นิยมคือสิ่งที่การทำงานไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางที่ตามด้วยวัตถุ แต่อยู่ที่จุดเริ่มต้นและจุดที่มาถึงเท่านั้น แรงที่ขับเคลื่อนน้ำที่ตกลงมาคือแรงโน้มถ่วงซึ่งเป็นแรงอนุรักษ์นิยม

ในทางกลับกันแรงยืดหยุ่นและไฟฟ้าสถิตก็มีคุณภาพเช่นกันดังนั้นจึงมีพลังงานศักย์เกี่ยวข้อง

กองกำลังที่ไม่เป็นไปตามข้อกำหนดดังกล่าวเรียกว่าไม่อนุรักษ์นิยม ตัวอย่างของสิ่งเหล่านี้คือแรงเสียดทานและแรงต้านอากาศ

ประเภทของพลังงานศักย์

เนื่องจากพลังงานศักย์มักเกิดจากแรงอนุรักษ์นิยมเช่นที่กล่าวไปแล้วเราจึงพูดถึงพลังงานศักย์โน้มถ่วงพลังงานศักย์ยืดหยุ่นพลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิตพลังงานศักย์นิวเคลียร์และพลังงานศักย์เคมี

พลังงานศักย์โน้มถ่วง

วัตถุใด ๆ มีพลังงานศักย์เป็นฟังก์ชันของความสูงจากพื้นดิน ข้อเท็จจริงที่ดูเหมือนง่ายนี้แสดงให้เห็นว่าเหตุใดน้ำที่ตกลงมาจึงสามารถขับเคลื่อนกังหันและเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ในที่สุด ตัวอย่างนักเล่นสกีที่แสดงที่นี่ยังแสดงความสัมพันธ์ของน้ำหนักและส่วนสูงกับพลังงานศักย์โน้มถ่วง

อีกตัวอย่างหนึ่งคือรถเหาะซึ่งมีพลังงานศักย์สูงกว่าเมื่ออยู่สูงเหนือพื้นดิน เมื่อถึงระดับพื้นแล้วความสูงจะเท่ากับศูนย์และพลังงานศักย์ทั้งหมดจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ (พลังงานแห่งการเคลื่อนที่)

ภาพเคลื่อนไหวแสดงการแลกเปลี่ยนระหว่างพลังงานศักย์โน้มถ่วงและพลังงานจลน์ของวัตถุที่เคลื่อนที่บนรถไฟเหาะ ผลรวมของพลังงานทั้งสองเรียกว่าพลังงานกลมีค่าคงที่ตลอดการเคลื่อนที่ ที่มา: Wikimedia Commons

พลังงานศักย์ยืดหยุ่น

วัตถุเช่นสปริงคันธนูหน้าไม้และแถบยางสามารถกักเก็บพลังงานศักย์ยืดหยุ่นได้

โดยการวาดคันธนูนักธนูจะทำงานที่เก็บไว้เป็นพลังงานศักย์ของระบบคันธนู เมื่อคุณปล่อยธนูพลังงานนี้จะเปลี่ยนเป็นการเคลื่อนไหวของลูกศร ที่มา: Pixabay

ความยืดหยุ่นของร่างกายหรือวัสดุถูกอธิบายโดยกฎของ Hooke (ถึงขีด จำกัด บางอย่าง) ซึ่งบอกเราว่าแรงที่สามารถออกแรงได้เมื่อถูกบีบอัดหรือยืดออกนั้นเป็นสัดส่วนกับการเสียรูป

ตัวอย่างเช่นในกรณีของสปริงหรือสปริงหมายความว่ายิ่งหดหรือยืดมากเท่าไหร่ก็จะยิ่งมีแรงกระทำต่อวัตถุที่วางอยู่ที่ปลายด้านหนึ่งมากขึ้นเท่านั้น

พลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิต

เป็นพลังงานที่ประจุไฟฟ้ามีโดยอาศัยการกำหนดค่า ประจุไฟฟ้าของเครื่องหมายเดียวกันขับไล่ซึ่งกันและกันดังนั้นในการวางประจุบวกหรือลบคู่หนึ่งไว้ในตำแหน่งหนึ่งตัวแทนภายนอกต้องทำงาน มิฉะนั้นพวกเขามักจะแยกจากกัน

งานนี้ถูกจัดเก็บในลักษณะที่โหลด ยิ่งประจุของเครื่องหมายเดียวกันอยู่ใกล้มากเท่าไหร่พลังงานศักย์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น สิ่งที่ตรงกันข้ามจะเกิดขึ้นเมื่อมีสัญญาณต่าง ๆ มากมาย เมื่อพวกมันดึงดูดซึ่งกันและกันยิ่งอยู่ใกล้พลังงานที่มีศักยภาพน้อยลง

พลังงานศักย์นิวเคลียร์

การแสดงอะตอมของฮีเลียมโดยประมาณ ในนิวเคลียสโปรตอนจะแสดงด้วยสีแดงและนิวตรอนเป็นสีน้ำเงิน

นิวเคลียสของอะตอมประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนเรียกโดยทั่วไปว่านิวคลีออน อดีตมีประจุไฟฟ้าบวกและประจุไฟฟ้าหลังเป็นกลาง

เนื่องจากพวกมันรวมตัวกันในพื้นที่เล็ก ๆ เหนือจินตนาการและเมื่อรู้ว่าประจุของสัญลักษณ์เดียวกันขับไล่กันและกันจึงสงสัยว่านิวเคลียสของอะตอมยังคงเหนียวแน่นได้อย่างไร

คำตอบอยู่ในกองกำลังอื่น ๆ นอกเหนือจากแรงขับดันไฟฟ้าสถิตลักษณะของนิวเคลียสเช่นปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่รุนแรงและปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่อ่อนแอ สิ่งเหล่านี้เป็นกองกำลังที่แข็งแกร่งมากเกินกว่าแรงไฟฟ้าสถิต

พลังงานศักย์เคมี

พลังงานศักย์รูปแบบนี้มาจากการจัดเรียงอะตอมและโมเลกุลของสารตามพันธะเคมีประเภทต่างๆ

เมื่อเกิดปฏิกิริยาเคมีพลังงานนี้สามารถเปลี่ยนเป็นชนิดอื่นได้เช่นโดยใช้เซลล์หรือแบตเตอรี่ไฟฟ้า

ตัวอย่างพลังงานศักย์

พลังงานที่เป็นไปได้มีอยู่ในชีวิตประจำวันหลายประการ การสังเกตเอฟเฟกต์ของมันนั้นง่ายพอ ๆ กับการวางวัตถุใด ๆ ในระดับความสูงที่กำหนดและมั่นใจได้ว่ามันสามารถกลิ้งหรือตกลงมาได้ตลอดเวลา

นี่คืออาการบางส่วนของประเภทของพลังงานศักย์ที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้:

-รถไฟเหาะ

- รถหรือลูกบอลกลิ้งลงเนิน

-คันธนูและลูกศร

- แบตเตอรี่ไฟฟ้า

- นาฬิกาลูกตุ้ม

เมื่อทรงกลมที่ปลายด้านใดด้านหนึ่งเคลื่อนไหวการเคลื่อนไหวจะถูกส่งไปยังอีกด้านหนึ่ง ที่มา: Pixabay

- แกว่งไปแกว่งมา

- กระโดดบนแทรมโพลีน

- ใช้ปากกาที่พับเก็บได้

ดูตัวอย่างพลังงานศักย์

การคำนวณพลังงานศักย์

พลังงานศักย์ขึ้นอยู่กับงานที่ทำโดยแรงและสิ่งนี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับวิถีดังนั้นจึงสามารถระบุได้ว่า:

- ถ้า A และ B เป็นสองจุดงาน W _{AB ที่}จำเป็นในการเปลี่ยนจาก A ไป B จะเท่ากับงานที่จำเป็นต้องเปลี่ยนจาก B ไป A ดังนั้น: W _AB = W _BAดังนั้น:

- และหากพยายามรวมสองวิถีที่แตกต่างกัน 1 และ 2 เข้าร่วมจุด A และ B ดังกล่าวงานที่ทำในทั้งสองกรณีก็เหมือนกัน:

W ₁ = W ₂ .

ไม่ว่าในกรณีใดวัตถุจะเกิดการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์:

พลังงานศักย์ของวัตถุถูกกำหนดให้เป็นลบของงานที่ทำโดยแรง (อนุรักษ์นิยม):

แต่เนื่องจากงานถูกกำหนดโดยอินทิกรัลนี้:

:

โปรดสังเกตว่าหน่วยของพลังงานศักย์เหมือนกับหน่วยของการทำงาน ใน SI International System หน่วยคือจูลซึ่งย่อมาจาก J และเท่ากับ 1 นิวตัน x เมตรโดย James Joule นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ (1818-1889)

หน่วยอื่น ๆ สำหรับพลังงาน ได้แก่ cgs erg, แรงปอนด์ x ฟุต, BTU (British Thermal Unit), แคลอรี่และกิโลวัตต์ - ชั่วโมง

เรามาดูวิธีการคำนวณพลังงานศักย์ด้านล่างกัน

การคำนวณพลังงานศักย์โน้มถ่วง

ในบริเวณใกล้เคียงกับพื้นผิวโลกแรงโน้มถ่วงจะชี้ลงในแนวตั้งและขนาดของมันจะได้รับจากสมการน้ำหนัก = มวล x แรงโน้มถ่วง

แสดงแกนแนวตั้งด้วยตัวอักษร "y" และกำหนดทิศทางนี้ให้เวกเตอร์หน่วยjบวกขึ้นและลบลงการเปลี่ยนแปลงของพลังงานศักย์เมื่อร่างกายเคลื่อนที่จาก y = y _Aถึง y = และ_Bคือ :

การคำนวณพลังงานศักย์ยืดหยุ่น

กฎของฮุคบอกเราว่าแรงเป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนรูป:

นี่ x คือความเครียดและ k คือค่าคงที่ลักษณะเฉพาะของสปริงซึ่งบ่งบอกว่ามันแข็งแค่ไหน ด้วยนิพจน์นี้พลังงานศักย์ยืดหยุ่นจะถูกคำนวณโดยคำนึงว่าiคือเวกเตอร์หน่วยในแนวนอน:

การคำนวณพลังงานศักย์ไฟฟ้าสถิต

เมื่อคุณมีประจุไฟฟ้าแบบจุด Q มันจะสร้างสนามไฟฟ้าที่รับรู้ค่าจุดอื่น q และจะทำงานกับมันเมื่อมันถูกย้ายจากตำแหน่งหนึ่งไปยังอีกตำแหน่งหนึ่งตรงกลางสนาม แรงไฟฟ้าสถิตระหว่างประจุสองจุดมีทิศทางรัศมีซึ่งเป็นสัญลักษณ์โดยเวกเตอร์หน่วยr :

รูปตัวอย่าง 1. ที่มา: F. Zapata.

สารละลาย

เมื่อบล็อกอยู่ที่ความสูง h _Aเทียบกับพื้นจะมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงเนื่องจากความสูง เมื่อปล่อยออกมาพลังงานศักย์นี้จะค่อยๆเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์และเมื่อมันเลื่อนไปตามทางลาดโค้งที่ราบเรียบความเร็วของมันจะเพิ่มขึ้น

ระหว่างเส้นทางจาก A ถึง B ไม่สามารถนำสมการของการเคลื่อนที่เชิงเส้นตรงที่แตกต่างกันไปใช้ได้ แม้ว่าแรงโน้มถ่วงจะรับผิดชอบต่อการเคลื่อนที่ของบล็อก แต่การเคลื่อนไหวที่เกิดขึ้นนั้นซับซ้อนกว่าเนื่องจากวิถีไม่ได้เป็นเส้นตรง

การอนุรักษ์พลังงานในเส้นทาง AB

อย่างไรก็ตามเนื่องจากแรงโน้มถ่วงเป็นแรงอนุรักษ์นิยมและไม่มีแรงเสียดทานบนทางลาดคุณสามารถใช้การอนุรักษ์พลังงานกลเพื่อค้นหาความเร็วที่จุดสิ้นสุดของทางลาด:

นิพจน์ถูกทำให้ง่ายขึ้นโดยสังเกตว่ามวลปรากฏในแต่ละเทอม ปล่อยออกจากส่วนที่เหลือ v _A = 0 และ h _Bอยู่ที่ระดับพื้นดิน h _B = 0 ด้วยการทำให้เข้าใจง่ายเหล่านี้นิพจน์จะลดเป็น:

ทำงานโดยการถูในส่วน BC

ตอนนี้บล็อกเริ่มเดินทางในส่วนขรุขระด้วยความเร็วนี้และในที่สุดก็หยุดที่จุด C ดังนั้น v _C = 0 พลังงานกลจึงไม่ได้รับการอนุรักษ์อีกต่อไปเนื่องจากแรงเสียดทานเป็นแรงกระจายซึ่งทำให้ ทำงานในบล็อกที่กำหนดโดย:

งานนี้มีเครื่องหมายลบเนื่องจากแรงเสียดทานจลน์ทำให้วัตถุช้าลงและต่อต้านการเคลื่อนที่ ขนาดของแรงเสียดทานจลน์ f _kคือ:

โดยที่ N คือขนาดของแรงปกติ แรงปกติกระทำโดยพื้นผิวบนบล็อกและเนื่องจากพื้นผิวอยู่ในแนวนอนทั้งหมดจึงทำให้น้ำหนัก P = mg สมดุลดังนั้นขนาดของปกติคือ:

ซึ่งนำไปสู่:

งานที่ f _kทำในบล็อกคือ: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

การคำนวณการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกล

งานนี้เทียบเท่ากับการเปลี่ยนแปลงของพลังงานกลซึ่งคำนวณได้ดังนี้:

ในสมการนี้มีบางคำที่หายไป: K _C = 0 เนื่องจากบล็อกหยุดที่ C และ U _C = U _Bก็หายไปเช่นกันเนื่องจากจุดเหล่านี้อยู่ที่ระดับพื้นดิน การทำให้เข้าใจง่ายส่งผลให้:

มวลจะยกเลิกอีกครั้งและรับ D ได้ดังนี้:

อ้างอิง

1. Bauer, W. 2011. Physics for Engineering and Sciences. เล่มที่ 1. Mc Graw Hill.
2. Figueroa, D. (2005). ซีรี่ส์: ฟิสิกส์สำหรับวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม เล่มที่ 2. พลวัต. แก้ไขโดย Douglas Figueroa (USB)
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6 Ed Prentice Hall
4. Knight, R. 2017 Physics for Scientists and Engineering: a Strategy Approach. เพียร์สัน
5. เซียร์เซมันสกี้ 2559. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยกับฟิสิกส์สมัยใหม่. วันที่ 14 ฉบับที่ 1-2