Теория:
Обрати внимание!
Потенциальная энергия присуща всем телам, которые обладают потенциальной способностью совершать работу.
Потенциальной энергией обладает тело, которое поднято на некоторую высоту над поверхностью земли.
Пример:
Яблоко висит на ветке на определённой высоте над землёй. Пока яблоко находится на высоте, оно обладает потенциальной способностью упасть и совершить работу.
За уровень отсчёта можно принять не только уровень поверхности земли, но и любую другую поверхность, на которой значение потенциальной энергии принимается равным нулю.
Пол в помещении может находиться выше поверхности земли, однако тела, находящиеся в этом помещении, не могут упасть ниже уровня пола, поэтому принимается, что на полу потенциальная энергия тел равна \(нулю\).
Потенциальной энергией обладают все тела, которые подняты на определённую высоту.
Обрати внимание!
Потенциальная энергия тела, поднятого над землёй, прямо пропорциональна массе \(m\), ускорению свободного падения \(g\) и высоте нахождения тела над землёй \(h\).
Эти величины объединяются формулой:
.
Потенциальной энергией обладают как неподвижные, так и движущиеся тела.
Пример:
Самолёт, который летит на определённой высоте, тоже обладает потенциальной энергией.
С увеличением высоты расположения тела линейно увеличивается и его потенциальная энергия. Если высота увеличится в \(2\) раза, тогда и потенциальная энергия увеличится в \(2\) раза.
Зависимость потенциальной энергии от высоты можно изобразить на графике, где предполагается, что масса тела постоянна и равна \(2\) кг.
При увеличении массы тела линейно увеличивается также и его потенциальная энергия. Если масса увеличится в \(2\) раза, тогда и потенциальная энергия увеличится в \(2\) раза.
Пример:
Тело, падая с высоты, обладает способностью совершать работу. В Латвии именно потенциальная энергия воды обеспечивает население электроэнергией. Большую часть энергии, произведённой акционерным обществом «Латвэнерго», получают на трёх крупнейших в стране гидроэлектростанциях, которые в среднем производят \(70\) % от общего объёма производимой электроэнергии. Гидроэлектростанции используют потенциальную энергию воды для того, чтобы преобразовать её в энергию вращения лопастей турбины генераторов и далее — в электрическую энергию. Чтобы обеспечить эффективное производство электроэнергии на гидроэлектростанции, необходимо обеспечить оптимальную разность уровней перед плотиной и за ней, а также оптимальную скорость протекания водной массы. Во время паводков заметно увеличивается масса воды, увеличивается её напор и сила, которая может вращать генератор, а в результате уменьшения водной массы, уменьшается и разность её уровней, что может привести к снижению эффективности производства электроэнергии или сделать его меньшим по сравнению с оптимальными условиями.
Потенциальной энергией обладают также тела, которые упруго деформированы.
Если тело деформировать в пределах упругой деформации, тогда после снятия внешней действующей силы тело возвращается в первоначальное состояние и при этом может совершать работу.
В качестве упругого тела можно использовать пружину или резинку.
Обрати внимание!
Потенциальная энергия упруго растянутой пружины прямо пропорциональна коэффициенту жёсткости пружины (k) и квадрату величины абсолютной деформации пружины .
Определяют потенциальную энергию упруго растянутой пружины по формуле:
.
Чем более жёсткую пружину или резинку используют, тем больше её потенциальная энергия при одном и том же абсолютном удлинении.
При увеличении коэффициента жёсткости пружины в \(2\) раза, её потенциальная энергия увеличивается также в \(2\) раза.
Чем больше деформация пружины или резинки, тем больше её потенциальная энергия при одном и том же коэффициенте жёсткости.
При увеличении абсолютного удлинения пружины в \(2\) раза, её потенциальная энергия увеличивается в \(4\) раза.