ポテンシャルエネルギー：特性、タイプ、計算、および例 - 物理的 - 2025

ポテンシャルエネルギーは、エネルギー、独自の設定の下で体です。オブジェクトが相互作用するとき、それらの間には仕事をすることができる力があり、それらの配置に格納されている仕事をするこの能力はエネルギーに変換することができます。

たとえば、人間は太古の昔から滝のポテンシャルエネルギーを利用してきました。最初に紡績工場で、次に水力発電所で利用しました。

ナイアガラの滝：重力ポテンシャルエネルギーの巨大な貯水池。出典：Pixabay。

一方、多くの材料は、変形してから元のサイズに戻すことで機能するという優れた能力を持っています。そして、他の状況では、電荷の配置は、例えばコンデンサーにおけるように、ポテンシャルエネルギーの貯蔵を可能にする。

潜在的なエネルギーは、他の形の使用可能なエネルギーに変換される多くの可能性を提供するため、それを支配する法則を知ることが重要です。

ポテンシャルエネルギーの起源

オブジェクトのポテンシャルエネルギーは、オブジェクトに影響を与える力に起源があります。ただし、ポテンシャルエネルギーはスカラー量であり、力はベクトルです。したがって、位置エネルギーを指定するには、その数値と選択した単位を示すだけで十分です。

別の重要な特性は、すべての力にこのような長所があるわけではないため、ポテンシャルエネルギーを保存できる力のタイプです。保守的な力だけが、それらが作用するシステムに潜在的なエネルギーを蓄えます。

保守的な力とは、作業がオブジェクトがたどるパスに依存せず、開始点と到着点にのみ依存する力です。流れ落ちる水を動かす力は重力です。これは保守的な力です。

一方、弾性力と静電力もこの性質を持っているため、それらに関連するポテンシャルエネルギーがあります。

前述の要件を満たさない部隊は、非保守的と呼ばれます。これらの例には、摩擦と空気抵抗があります。

ポテンシャルエネルギーの種類

ポテンシャルエネルギーは常に前述のような保守的な力に由来するため、重力ポテンシャルエネルギー、弾性ポテンシャルエネルギー、静電ポテンシャルエネルギー、核ポテンシャルエネルギー、化学ポテンシャルエネルギーについて説明します。

重力ポテンシャルエネルギー

すべてのオブジェクトは、地面からの高さの関数として位置エネルギーを持っています。この一見単純な事実は、流れ落ちる水がタービンを駆動し、最終的には電気エネルギーに変換できる理由を示しています。ここに示すスキーヤーの例は、重量と高さの重力ポテンシャルエネルギーとの関係も示しています。

もう1つの例は、ジェットコースターの車です。これは、地上の特定の高さにあると、ポテンシャルエネルギーが高くなります。地上レベルに達すると、高さがゼロになり、そのポテンシャルエネルギーはすべて運動エネルギー（運動エネルギー）に変換されます。

アニメーションは、ジェットコースター上を移動するオブジェクトの重力ポテンシャルエネルギーと運動エネルギー間の交換を示しています。機械的エネルギーと呼ばれる両方のエネルギーの合計は、ムーブメント全体を通じて一定です。出典：ウィキメディア・コモンズ。

弾性ポテンシャルエネルギー

ばね、弓、クロスボウ、ゴムバンドなどのオブジェクトは、弾性ポテンシャルエネルギーを蓄えることができます。

弓を引くことにより、弓矢は弓矢システムのポテンシャルエネルギーとして蓄えられる仕事をします。弓を離すと、このエネルギーが矢の動きに変わります。出典：Pixabay。

ボディまたはマテリアルの弾性はフックの法則（特定の限界まで）によって記述されます。これは、圧縮または伸張したときに加えることができる力がその変形に比例することを示しています。

たとえば、ばねまたはばねの場合、これは、それが収縮または伸長するほど、それが一方の端に配置されたオブジェクトに及ぼすことができる力が大きくなることを意味します。

静電ポテンシャルエネルギー

これは、その構成により電荷が持つエネルギーです。同じ符号の電荷は互いに反発するので、正または負の電荷のペアを特定の位置に配置するには、外部エージェントが機能する必要があります。そうでなければ、彼らは分離する傾向があります。

この作業は、荷物の配置方法で保存されます。同じ符号の電荷が近いほど、構成のポテンシャルエネルギーが高くなります。さまざまな兆候の負荷になると、反対のことが起こります。それらが互いに引き付け合うにつれて、それらが近づくほど、それらが持つ潜在的エネルギーは少なくなります。

原子力ポテンシャルエネルギー

ヘリウム原子のおおよその表現。原子核では、陽子は赤で、中性子は青で表されています。

原子核は陽子と中性子で構成され、一般に核子と呼ばれます。前者は正の電荷を持ち、後者は中性です。

彼らは想像を超えた小さな空間に集まり、同じ兆候の電荷が互いに反発し合うことを知っているので、人は原子核がどのように凝集性を保っているのか不思議に思います。

その答えは、強い核相互作用や弱い核相互作用など、核に特徴的な静電反発力以外の力にあります。これらは非常に強い力であり、静電力をはるかに超えています。

化学ポテンシャルエネルギー

この形のポテンシャルエネルギーは、さまざまな種類の化学結合に従って、物質の原子と分子がどのように配置されているかに由来します。

化学反応が起こると、このエネルギーは他のタイプに、例えばセルや電池によって変換されます。

ポテンシャルエネルギーの例

潜在的なエネルギーは、さまざまな方法で日常生活に存在しています。その効果の観察は、オブジェクトを特定の高さに配置し、いつでも転がったり落下したりできることを確認するのと同じくらい簡単です。

以下は、前述のポテンシャルエネルギーのタイプのいくつかの症状です。

-ジェットコースター

-下り坂を転がる車またはボール

-弓と矢

-バッテリー

-振り子時計

端にある球の1つを動かすと、その動きが他の球に伝達されます。出典：Pixabay。

-ブランコに乗ってスイング

-トランポリンでジャンプ

-格納式ペンを使用してください。

参照：ポテンシャルエネルギーの例。

ポテンシャルエネルギーの計算

ポテンシャルエネルギーは力によって行われる仕事に依存し、これは今度は軌道に依存しないため、次のように述べることができます。

-AとBが2点である場合、AからBに移動するために必要な作業W _ABは、BからAに移動するために必要な作業と同じです。したがって、W _AB = W _BAなので、次のようになります。

-そして、2つの異なる軌跡1と2が上記の点AとBに加わろうとする場合、両方のケースで行われる作業も同じです。

W ₁ = W ₂。

どちらの場合でも、オブジェクトはポテンシャルエネルギーの変化を経験します。

まあ、オブジェクトのポテンシャルエネルギーは、（保守的な）力によって行われる作業のネガティブとして定義されます。

しかし、仕事はこの積分によって定義されるので、

：

ポテンシャルエネルギーの単位は仕事の単位と同じであることに注意してください。SIインターナショナルシステムでは、単位はジュールで、Jと略され、英国の物理学者ジェームズジュール（1818-1889）による1ニュートンxメートルに相当します。

エネルギーの他の単位には、cgs erg、ポンド力xフィート、BTU（英国熱量単位）、カロリー、キロワット時が含まれます。

ポテンシャルエネルギーの計算方法のいくつかの特定のケースを以下に示します。

重力ポテンシャルエネルギーの計算

地表の近くでは、重力は鉛直下向きであり、その大きさは重量=質量x重力の式で与えられます。

縦軸を文字「y」で表し、この方向に正のアップと負のダウンの単位ベクトルjを割り当てると、物体がy = y _Aからy =に移動し、_Bが移動するときのポテンシャルエネルギーの変化は、 ：

弾性ポテンシャルエネルギーの計算

フックの法則は、力は変形に比例することを示しています。

ここで、xはひずみ、kはばねの固有定数であり、剛性を示します。この式により、iが水平方向の単位ベクトルであることを考慮して、弾性ポテンシャルエネルギーが計算されます。

静電ポテンシャルエネルギーの計算

点電荷Qがある場合、それは別の点電荷qを感知する電界を生成し、電界の中央のある位置から別の位置に移動したときに電界に作用します。2点の電荷間の静電力には、単位ベクトルrで表される半径方向があります。

例1の図。出典：F. Zapata。

解決

ブロックが床に対して高さh _Aにあるとき、ブロックはその高さのために重力ポテンシャルエネルギーを持っています。解放されると、このポテンシャルエネルギーは徐々に運動エネルギーに変換され、滑らかな曲線状のランプを滑り落ちるにつれて、速度が増加します。

AからBへのパスの間、均一に変化する直線運動の方程式は適用できません。重力はブロックの動きに関与しますが、軌道が直線的ではないため、ブロックが経験する動きはより複雑です。

パスABでのエネルギーの節約

ただし、重力は保守的な力であり、ランプに摩擦がないため、機械エネルギーの節約を使用してランプの終わりの速度を見つけることができます。

各用語に質量が現れることに注意して、式を簡略化しています。それはレストv _A = 0 から解放されます。また、h _Bはグラウンドレベルにあり、h _B = 0です。これらの簡略化により、式は次のように減少します。

セクションBCでこすることによって行われる作業

これで、ブロックはこの速度で大まかなセクションで移動を開始し、最終的にポイントCで停止します。したがって、v _C = 0です。摩擦は散逸力であり、以下によって与えられるブロックで動作します：

運動摩擦はオブジェクトの動きに対抗してオブジェクトの動きを遅くするため、この作品には負の符号があります。動摩擦f _kの大きさは次のとおりです。

ここで、Nは垂直力の大きさです。垂直力はブロックの表面によって加えられ、表面は完全に水平なので、重量P = mgのバランスをとります。したがって、垂直の大きさは次のとおりです。

につながる：

Fという仕事_kはブロックの上にないです：W _K = - F _K .D = - μ _kの .mg.D。

機械エネルギーの変化の計算

この作業は、次のように計算される機械エネルギーの変化に相当します。

K：この式で消えるいくつかの用語がある_CブロックはCとUで停止するので、= 0、_C = U _Bも消えるこれらの点はグランドレベルであるので、。簡素化の結果：

質量は再びキャンセルされ、Dは次のように取得できます。

参考文献

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