ENERGIA POTENZIALE: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE, CALCOLI ED ESEMPI - FISICO - 2024

L' energia potenziale è l'energia che corpi sotto la propria configurazione. Quando gli oggetti interagiscono, ci sono forze tra di loro in grado di svolgere il lavoro e questa capacità di fare il lavoro, che è immagazzinata nella loro disposizione, può essere tradotta in energia.

Ad esempio, gli esseri umani hanno sfruttato l'energia potenziale delle cascate da tempo immemorabile, prima dalle filature e poi dagli impianti idroelettrici.

Cascate del Niagara: un enorme serbatoio di energia potenziale gravitazionale. Fonte: Pixabay.

D'altra parte, molti materiali hanno una notevole capacità di lavorare deformandosi e poi tornando alla loro dimensione originale. E in altre circostanze, la disposizione della carica elettrica consente l'immagazzinamento di energia potenziale elettrica, come ad esempio in un condensatore.

L'energia potenziale offre molte possibilità per essere trasformata in altre forme di energia utilizzabile, da qui l'importanza di conoscere le leggi che la governano.

Origine dell'energia potenziale

L'energia potenziale di un oggetto ha la sua origine nelle forze che lo influenzano. Tuttavia, l'energia potenziale è una quantità scalare, mentre le forze sono vettoriali. Pertanto, per specificare l'energia potenziale, è sufficiente indicare il suo valore numerico e le unità selezionate.

Un'altra qualità importante è il tipo di forza con cui l'energia potenziale può essere immagazzinata, poiché non tutte le forze hanno questa virtù. Solo le forze conservatrici immagazzinano energia potenziale nei sistemi su cui agiscono.

Una forza conservativa è quella per cui il lavoro non dipende dal percorso seguito dall'oggetto, ma solo dal punto di partenza e dal punto di arrivo. La forza che guida l'acqua che cade è la gravità, che è una forza conservatrice.

D'altra parte, anche le forze elastiche ed elettrostatiche hanno questa qualità, quindi c'è un'energia potenziale ad esse associata.

Le forze che non soddisfano il suddetto requisito sono chiamate non conservatrici; Esempi di questi sono l'attrito e la resistenza dell'aria.

Tipi di energia potenziale

Poiché l'energia potenziale deriva sempre da forze conservatrici come quelle già menzionate, parliamo di energia potenziale gravitazionale, energia potenziale elastica, energia potenziale elettrostatica, energia potenziale nucleare e energia potenziale chimica.

Energia potenziale gravitazionale

Ogni oggetto ha energia potenziale in funzione della sua altezza dal suolo. Questo fatto apparentemente semplice illustra perché l'acqua che cade è in grado di azionare le turbine e alla fine di essere trasformata in energia elettrica. L'esempio dello sciatore mostrato qui mostra anche la relazione tra peso e altezza con l'energia potenziale gravitazionale.

Un altro esempio è un'auto sulle montagne russe, che ha un'energia potenziale maggiore quando si trova a una certa altezza dal suolo. Una volta che ha raggiunto il livello del suolo, la sua altezza è uguale a zero e tutta la sua energia potenziale è stata trasformata in energia cinetica (energia di movimento).

L'animazione mostra lo scambio tra l'energia potenziale gravitazionale e l'energia cinetica, di un oggetto che si muove sulle montagne russe. La somma di entrambe le energie, chiamata energia meccanica, è costante durante tutto il movimento. Fonte: Wikimedia Commons.

Energia potenziale elastica

Oggetti come molle, archi, balestre e elastici sono in grado di immagazzinare energia potenziale elastica.

Tirando l'arco, l'arciere fa il lavoro che viene immagazzinato come energia potenziale del sistema arco-freccia. Quando rilasci l'arco, questa energia si trasforma nel movimento della freccia. Fonte: Pixabay.

L'elasticità di un corpo o di un materiale è descritta dalla legge di Hooke (fino a certi limiti), la quale ci dice che la forza capace di esercitare quando viene compressa o stirata è proporzionale alla sua deformazione.

Ad esempio nel caso di una molla o di una molla, ciò significa che più si restringe o si allunga, maggiore è la forza che può esercitare su un oggetto posto ad un'estremità.

Energia potenziale elettrostatica

È l'energia che le cariche elettriche hanno in virtù della loro configurazione. Le cariche elettriche dello stesso segno si respingono, quindi per posizionare una coppia di cariche positive o negative in una determinata posizione, deve funzionare un agente esterno. Altrimenti tenderebbero a separarsi.

Questo lavoro viene immagazzinato nel modo in cui sono stati posizionati i carichi. Più vicine sono le cariche dello stesso segno, maggiore sarà l'energia potenziale che avrà la configurazione. L'opposto accade quando si tratta di un sacco di segni diversi; Man mano che si attraggono, più sono vicini, minore è l'energia potenziale che hanno.

Energia potenziale nucleare

Rappresentazione approssimativa dell'atomo di elio. Nel nucleo i protoni sono rappresentati in rosso e i neutroni in blu.

Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni, genericamente chiamati nucleoni. I primi hanno una carica elettrica positiva e i secondi sono neutri.

Poiché sono agglomerati in uno spazio minuscolo oltre ogni immaginazione, e sapendo che cariche dello stesso segno si respingono, ci si chiede come il nucleo atomico rimanga coeso.

La risposta sta in altre forze oltre alla repulsione elettrostatica, caratteristiche del nucleo, come l'interazione nucleare forte e l'interazione nucleare debole. Queste sono forze molto forti, che superano di gran lunga la forza elettrostatica.

Energia potenziale chimica

Questa forma di energia potenziale deriva da come sono disposti gli atomi e le molecole delle sostanze, secondo i diversi tipi di legami chimici.

Quando avviene una reazione chimica, questa energia può essere trasformata in altri tipi, ad esempio mediante una cella o una batteria elettrica.

Esempi di energia potenziale

L'energia potenziale è presente nella vita quotidiana in molti modi. Osservarne gli effetti è facile come posizionare un oggetto a una certa altezza ed essere certi che possa rotolare o cadere in qualsiasi momento.

Ecco alcune manifestazioni dei tipi di energia potenziale precedentemente descritti:

-Montagne russe

-Auto o palle che rotolano in discesa

-Archi e frecce

-Batterie elettriche

-Un orologio a pendolo

Quando una delle sfere alle estremità viene messa in moto, il movimento viene trasmesso alle altre. Fonte: Pixabay.

- Oscillando su un'altalena

- Salta su un trampolino

-Utilizzare una penna retrattile.

Vedi: esempi di energia potenziale.

Calcolo dell'energia potenziale

L'energia potenziale dipende dal lavoro svolto dalla forza e questo a sua volta non dipende dalla traiettoria, quindi si può affermare che:

-Se A e B sono due punti, il lavoro W _AB necessario per andare da A a B è uguale al lavoro necessario per andare da B ad A. Quindi: W _AB = W _BA , quindi:

-E se si provano due diverse traiettorie 1 e 2 per unire detti punti A e B, anche il lavoro svolto in entrambi i casi è lo stesso:

W ₁ = W ₂ .

In entrambi i casi l'oggetto subisce un cambiamento nell'energia potenziale:

Ebbene, l'energia potenziale dell'oggetto è definita come il negativo del lavoro svolto dalla forza (conservativa):

Ma poiché il lavoro è definito da questo integrale:

:

Notare che le unità di energia potenziale sono le stesse di quelle di lavoro. Nel Sistema Internazionale SI l'unità è il joule, che è abbreviato J ed è uguale a 1 newton x metro, dal fisico inglese James Joule (1818-1889).

Altre unità di energia includono il cgs erg, la libbra-forza x piede, la BTU (British Thermal Unit), le calorie e il chilowattora.

Vediamo di seguito alcuni casi particolari di come calcolare l'energia potenziale.

Calcolo dell'energia potenziale gravitazionale

In prossimità della superficie terrestre, la forza di gravità è rivolta verticalmente verso il basso e la sua grandezza è data dall'equazione Peso = massa x gravità.

Denotando l'asse verticale con la lettera "y" e assegnando a questa direzione il vettore unitario j , positivo su e negativo verso il basso, la variazione di energia potenziale quando un corpo si sposta da y = y _A a y = e _B è :

Calcolo dell'energia potenziale elastica

La legge di Hooke ci dice che la forza è proporzionale alla deformazione:

Qui x è la deformazione ek è una costante autovettura della molla, indicando quanto sia rigida. Tramite questa espressione viene calcolata l'energia potenziale elastica, tenendo conto che i è il vettore unitario in direzione orizzontale:

Calcolo dell'energia potenziale elettrostatica

Quando hai una carica elettrica puntiforme Q, produce un campo elettrico che percepisce un'altra carica puntiforme q, e che funziona su di essa quando viene spostato da una posizione all'altra nel mezzo del campo. La forza elettrostatica tra due cariche puntiformi ha una direzione radiale, simboleggiata dal vettore unitario r :

Figura per esempio 1. Fonte: F. Zapata.

Soluzione

Quando il blocco si trova ad un'altezza h _A rispetto al pavimento, ha energia potenziale gravitazionale dovuta alla sua altezza. Quando viene rilasciata, questa energia potenziale viene gradualmente convertita in energia cinetica e mentre scivola lungo la rampa curva liscia, la sua velocità aumenta.

Durante il percorso da A a B, le equazioni del moto rettilineo uniformemente variato non possono essere applicate. Sebbene la gravità sia responsabile del movimento del blocco, il movimento che sperimenta è più complesso, perché la traiettoria non è rettilinea.

Conservazione dell'energia nel percorso AB

Tuttavia, poiché la gravità è una forza conservativa e non c'è attrito sulla rampa, è possibile utilizzare la conservazione dell'energia meccanica per trovare la velocità alla fine della rampa:

L'espressione è semplificata notando che la massa appare in ogni termine. Viene rilasciato da riposo v _A = 0. E h _B è a livello del suolo, h _B = 0. Con queste semplificazioni, l'espressione si riduce a:

Lavoro eseguito per sfregamento nella sezione BC

A questo punto il blocco inizia il suo percorso nel tratto grezzo con questa velocità e infine si ferma al punto C. Quindi v _C = 0. L'energia meccanica non viene più conservata, perché l'attrito è una forza dissipativa, che ha reso lavorare sul blocco dato da:

Questo lavoro ha un segno negativo, poiché l'attrito cinetico rallenta l'oggetto, contrastandone il movimento. L'entità dell'attrito cinetico f _k è:

Dove N è l'entità della forza normale. La forza normale è esercitata dalla superficie sul blocco, e poiché la superficie è completamente orizzontale, bilancia il peso P = mg, quindi l'ampiezza della normale è:

Il quale conduce a:

Il lavoro che f _k fa sul blocco è: W _k = - f _k .D = - μ _k .mg.D.

Calcolo della variazione dell'energia meccanica

Questo lavoro è equivalente alla variazione dell'energia meccanica, calcolata in questo modo:

In questa equazione ci sono alcuni termini che svaniscono: K _C = 0, poiché il blocco si ferma in C e anche U _C = U _B svaniscono , poiché questi punti sono a livello del suolo. La semplificazione si traduce in:

La massa si annulla nuovamente e D può essere ottenuto come segue:

Riferimenti

1. Bauer, W. 2011. Fisica per l'ingegneria e le scienze. Volume 1. Mc Graw Hill.
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