Tutti gli studenti di fisica hanno energia potenziale, cioè. Ma quelli che si prendono il tempo per determinare cosa significa in termini di fisica avranno più potenziale per influenzare il mondo che li circonda di quelli che non lo fanno. Per lo meno, saranno in grado di rispondere consapevolmente a un adulto assillante con una battuta di meme su Internet: "Non sono pigro, sto traboccando di energia potenziale."
Cos'è l'energia potenziale?

Il concetto di energia potenziale potrebbe sembrare inizialmente confuso. Ma in breve, puoi pensare all'energia potenziale come energia immagazzinata. Ha il potenziale di trasformarsi in movimento e far accadere qualcosa, come una batteria non ancora collegata o un piatto di spaghetti che un corridore sta per mangiare la sera prima della gara.

L'energia potenziale è una delle tre grandi categorie di energia presenti nell'universo. Gli altri due sono l'energia cinetica, che è l'energia del movimento, e l'energia termica, che è un tipo speciale di energia cinetica non riutilizzabile.

Senza energia potenziale, nessuna energia potrebbe essere salvata per un uso successivo. Fortunatamente esiste molta energia potenziale, che si sta costantemente convertendo avanti e indietro tra se stessa e l'energia cinetica, facendo accadere cose.

Ad ogni trasformazione, alcune energie potenziali e cinetiche si trasformano in energia termica, nota anche come calore. Alla fine, tutta l'energia dell'universo verrà convertita in energia termica e sperimenterà la "morte termica", quando non esiste più energia potenziale. Ma fino a quel lontano futuro, l'energia potenziale manterrà aperte le possibilità di azione.

L'unità SI per l'energia potenziale, e qualsiasi energia per quella materia, è il joule, dove 1 joule \u003d 1 (newton) (metro).
Tipi ed esempi di energia potenziale

Esistono molti tipi di energia potenziale. Tra queste forme di energia vi sono:

Energia potenziale meccanica: nota anche come energia potenziale gravitazionale, o GPE, si riferisce all'energia immagazzinata dalla posizione di un oggetto rispetto a un campo gravitazionale, come quello vicino alla superficie terrestre.

Ad esempio, un libro seduto in cima a uno scaffale ha il potenziale di cadere a causa della forza di gravità. Più è in alto rispetto al suolo - e quindi in relazione alla Terra, la fonte del campo gravitazionale - più a lungo una caduta ha il potenziale per attraversare. Ne parleremo più avanti.

Energia potenziale chimica: l'energia immagazzinata nei legami molecolari è energia chimica. Può essere rilasciato e trasformato in energia cinetica rompendo i legami. Quindi, più legami in una molecola, maggiore energia potenziale contiene.

Ad esempio, quando si mangia cibo, il processo di digestione scompone molecole di grassi, proteine, carboidrati o aminoacidi in modo che il corpo possa Poiché i grassi sono la più lunga di quelle molecole con il maggior numero di legami tra gli atomi, immagazzinano più energia.

Allo stesso modo, i tronchi utilizzati in un falò contengono energia potenziale chimica che viene rilasciata quando vengono bruciati e i legami tra le molecole nel legno sono rotte. Tutto ciò che richiede una reazione chimica per "andare" - incluso l'uso di batterie o la combustione di benzina in un'auto - contiene energia potenziale chimica.

Energia potenziale elastica: questa forma di energia potenziale è l'energia immagazzinata nella deformazione di un oggetto dalla sua forma normale. Quando un oggetto viene allungato o compresso dalla sua forma originale, ad esempio un elastico estratto o una molla trattenuta in una bobina stretta, ha il potenziale di scattare o rimbalzare quando viene rilasciato. Oppure, un cuscino del divano squishy viene premuto con l'impronta di qualcuno seduto su di esso in modo che, quando si alzano, l'impronta risale lentamente fino a quando il divano sembra come prima di sedersi.

Energia potenziale nucleare: A molta energia potenziale è immagazzinata dalle forze nucleari che tengono insieme gli atomi. Ad esempio, la forte forza nucleare all'interno di un nucleo che tiene in posizione i protoni e i neutroni. Questo è il motivo per cui è così difficile dividere gli atomi, un processo che si verifica solo nei reattori nucleari, negli acceleratori di particelle, nei centri di stelle o in altre situazioni ad alta energia.

Da non confondere con energia potenziale chimica, potenziale nucleare l'energia viene immagazzinata all'interno dei singoli atomi. Come afferma il loro nome, le bombe atomiche rappresentano uno degli usi più aggressivi dell'umanità dell'energia potenziale nucleare.

Energia potenziale elettrica: questa energia viene immagazzinata trattenendo cariche elettriche in una particolare configurazione. Ad esempio, quando un maglione che ha molte cariche negative accumulate viene avvicinato a un oggetto positivo o neutro, ha il potenziale
di provocare movimento attirando cariche positive e respingendo altre cariche negative.

Ogni singola particella carica mantenuta in posizione in un campo elettrico ha anche energia potenziale elettrica. Questo esempio è analogo all'energia potenziale gravitazionale in quanto la posizione della carica in relazione al campo elettrico è ciò che determina la sua quantità di energia potenziale, proprio come la posizione di un oggetto in relazione al campo gravitazionale determina il suo GPE.
Formula di energia potenziale gravitazionale

L'energia potenziale gravitazionale, o GPE, è uno dei pochi tipi di energia per i quali gli studenti di fisica delle scuole superiori eseguono solitamente calcoli (altri sono energia cinetica lineare e rotazionale). Deriva dalla forza gravitazionale. Le variabili che influenzano la quantità di GPE di un oggetto sono la massa m, l'accelerazione dovuta alla gravità g
e l'altezza h.

GPE \u003d mgh

Dove GPE viene misurato in joule (J), massa in chilogrammi (kg), accelerazione dovuta alla gravità in metri al secondo al secondo (m /s ^{2) e altezza in metri (m ).}

Nota che sulla Terra, g
è trattato come sempre uguale a 9,8 m /s ^{2. In altre posizioni in cui la Terra non è la fonte locale di accelerazione gravitazionale, come su altri pianeti, g
ha altri valori.}

La formula per GPE implica che più un oggetto è massiccio o più è alto, più energia potenziale contiene. Questo a sua volta spiega perché un penny caduto dalla cima di un edificio andrà molto più veloce in fondo rispetto a uno caduto dalla tasca di una persona proprio sopra il marciapiede. (Questo è anche un esempio della conservazione dell'energia: quando l'oggetto cade, la sua energia potenziale diminuisce, quindi la sua energia cinetica deve aumentare della stessa quantità affinché l'energia totale rimanga costante.)

Inizio ad un'altezza maggiore significa che il penny accelera verso il basso su una distanza maggiore, determinando una velocità maggiore entro la fine del viaggio. Oppure, per continuare a spostarsi su una distanza maggiore, il penny sul tetto deve essere iniziato con più energia potenziale, quantificata dalla formula GPE.
Esempio GPE

Classificare i seguenti oggetti dalla maggior parte al potenziale meno gravitazionale energia: