Was ist potentielle Energie?
Die potentielle Energie U ist definiert als die Energie, die in einem Objekt gespeichert ist , das einer konservativen Kraft ausgesetzt ist. Zu den gebräuchlichen Typen gehören die Gravitationspotentialenergie , die elastische Potentialenergie einer ausgedehnten Feder und die elektrische Potentialenergie einer elektrischen Ladung in einem elektrischen Feld und so weiter.
Angenommen, die mechanische Energie (E mech ) ist die Energie, die mit der Bewegung und Position eines Objekts normalerweise in einem Kraftfeld (z. B. Gravitationsfeld) verbunden ist. Die mechanische Energie (und auch die thermische Energie) kann in zwei Kategorien eingeteilt werden, transient und gespeichert. Übergangsenergie ist Energie in Bewegung, das heißt Energie, die von einem Ort zum anderen übertragen wird. Gespeicherte Energie ist die in einem Stoff oder Gegenstand enthaltene Energie. Vorübergehende mechanische Energie wird üblicherweise als Arbeit bezeichnet . Die gespeicherte mechanische Energie liegt in einer von zwei Formen vor: kinetisch oder potentiell :
- Mögliche Energie . Die potentielle Energie U ist definiert als die Energie, die in einem Objekt gespeichert ist, das einer konservativen Kraft ausgesetzt ist. Zu den gebräuchlichen Typen gehört die potentielle Gravitationsenergie eines Objekts, die von seiner Masse und seinem Abstand vom Massenmittelpunkt eines anderen Objekts abhängt.
- Kinetische Energie . Die kinetische Energie K ist definiert als die Energie, die aufgrund ihrer Bewegung in einem Objekt gespeichert ist. Es hängt von der Geschwindigkeit eines Objekts ab und ist die Fähigkeit eines sich bewegenden Objekts, an anderen Objekten zu arbeiten, wenn es mit ihnen kollidiert.
Beispiele für potentielle Energie
Potenzielle Gravitationsenergie:
In der klassischen Mechanik ist die potentielle Energie der Gravitation (U) die Energie, die ein Objekt aufgrund seiner Position in einem Gravitationsfeld besitzt. Das Gravitationspotential (V; die Gravitationsenergie pro Masseneinheit) an einem Ort ist gleich der Arbeit (übertragene Energie) pro Masseneinheit, die erforderlich wäre, um das Objekt von einem festen Referenzort an den Ort des Objekts zu bewegen. Die am häufigsten verwendete potentielle Gravitationsenergie ist für ein Objekt nahe der Erdoberfläche, bei dem angenommen werden kann, dass die Gravitationsbeschleunigung konstant bei etwa 9,8 m / s 2 liegt .
U = mgh
Elastische potentielle Energie :
Die elastische potentielle Energie ist die potentielle Energie, die als Ergebnis der Verformung eines elastischen Objekts gespeichert wird, wie beispielsweise der Dehnung einer Feder. Sie ist abhängig von der Federkonstante k sowie dem gedehnten Abstand.
U = 1/2 kx 2
Elektrische potentielle Energie :
Elektrische potentielle Energie ist eine potentielle Energie, die aus konservativen Coulomb-Kräften resultiert und mit der Konfiguration eines bestimmten Satzes von Punktladungen innerhalb eines definierten Systems verbunden ist. Wenn zum Beispiel eine positive Ladung Q an einem bestimmten Punkt im Raum fixiert ist, erfährt jede andere positive Ladung, die in ihre Nähe gebracht wird, eine Abstoßungskraft und hat daher potentielle Energie.
U = kQq / r
Erhaltung der mechanischen Energie
Zunächst wurde das Prinzip der Erhaltung der mechanischen Energie festgelegt:
Die gesamte mechanische Energie (definiert als die Summe ihrer potentiellen und kinetischen Energien) eines Teilchens, auf das nur konservative Kräfte einwirken, ist konstant .
Siehe auch: Erhaltung der mechanischen Energie
Ein isoliertes System ist ein System, bei dem keine äußere Kraft Energieänderungen verursacht. Wenn nur konservative Kräfte auf ein Objekt wirken und U die potentielle Energiefunktion für die gesamte konservative Kraft ist, dann
E mech = U + K.
Die potentielle Energie U hängt von der Position eines Objekts ab, das einer konservativen Kraft ausgesetzt ist.
Es ist definiert als die Arbeitsfähigkeit des Objekts und wird erhöht, wenn das Objekt in die entgegengesetzte Richtung der Kraftrichtung bewegt wird.
Die potentielle Energie, die mit einem System verbunden ist, das aus der Erde und einem nahe gelegenen Teilchen besteht, ist potentielle Gravitationsenergie .
Die kinetische Energie K hängt von der Geschwindigkeit eines Objekts ab und ist die Fähigkeit eines sich bewegenden Objekts, an anderen Objekten zu arbeiten, wenn es mit ihnen kollidiert.
K = ½ mv 2
Die oben erwähnte Definition ( E mech = U + K ) setzt voraus, dass das System frei von Reibung und anderen nicht konservativen Kräften ist . Der Unterschied zwischen einer konservativen und einer nichtkonservativen Kraft besteht darin, dass die Arbeit der konservativen Kraft unabhängig vom Pfad ist, wenn eine konservative Kraft ein Objekt von einem Punkt zum anderen bewegt.
In jeder realen Situation sind Reibungskräfte und andere nicht konservative Kräfte vorhanden, aber in vielen Fällen sind ihre Auswirkungen auf das System so gering, dass das Prinzip der Erhaltung mechanischer Energie als angemessene Annäherung verwendet werden kann. Zum Beispiel ist die Reibungskraft eine nicht konservative Kraft, weil sie die mechanische Energie in einem System reduziert.
Beachten Sie, dass nicht konservative Kräfte die mechanische Energie nicht immer reduzieren. Eine nicht konservative Kraft verändert die mechanische Energie, es gibt Kräfte, die die gesamte mechanische Energie erhöhen, wie die von einem Motor oder Motor bereitgestellte Kraft, die ebenfalls eine nicht konservative Kraft ist.
Block rutschen eine reibungslose Steigung hinunter
Der 1-kg-Block beginnt eine Höhe H (sagen wir 1 m) über dem Boden mit einer potentiellen Energie mgH und einer kinetischen Energie von 0. Er gleitet auf den Boden (ohne Reibung) und kommt ohne potentielle Energie und kinetische Energie an K = ½ mv 2 . Berechnen Sie die Geschwindigkeit des Blocks am Boden und seine kinetische Energie.
E mech = U + K = const
=> ½ mv 2 = mgH
=> v = √2gH = 4,43 m / s
=> K 2 = ½ x 1 kg x (4,43 m / s) 2 = 19,62 kg.m 2 .s -2 = 19,62 J
Pendel
Nehmen Sie ein Pendel an (Kugel der Masse m, die an einer Schnur der Länge L aufgehängt ist , die wir hochgezogen haben, so dass die Kugel eine Höhe H <L über ihrem tiefsten Punkt im Bogen ihrer Bewegung der gedehnten Schnur liegt. Das Pendel wird dem Konservativen unterworfen Gravitationskraft, bei der Reibungskräfte wie Luftwiderstand und Reibung am Drehpunkt vernachlässigbar sind.
Wir befreien es von der Ruhe. Wie schnell geht es unten?
Das Pendel erreicht in vertikaler Position die größte kinetische Energie und die geringste potentielle Energie , da es die größte Geschwindigkeit hat und an diesem Punkt der Erde am nächsten ist. Andererseits hat es an den extremen Positionen seines Schwungs seine geringste kinetische Energie und seine größte potentielle Energie , da es keine Geschwindigkeit hat und an diesen Punkten am weitesten von der Erde entfernt ist.
Wenn die Amplitude auf kleine Schwankungen begrenzt ist, beträgt die Periode T eines einfachen Pendels, die Zeit, die für einen vollständigen Zyklus benötigt wird:
Dabei ist L die Länge des Pendels und g die lokale Erdbeschleunigung. Bei kleinen Schaukeln ist die Schwungdauer für Schaukeln unterschiedlicher Größe ungefähr gleich. Das heißt, die Periode ist unabhängig von der Amplitude .
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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: translations@nuclear-power.com oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.
