Potentiaalienergiaa faktaa lapsille

Hyrdrosähkövoimalaitokset käyttävät veden potentiaalienergiaa (korkeuseron muodossa) sähköntuotantoon.

Pyörrepyörre

Massan itsegravitaatiopyörre

Massan itsegravitaatiopyörrettä voidaan havainnollistaa sarjana samankeskisiä kuoria. Mitä korkeampi kuori on, sitä pienempi on sen pyörimisfrekvenssi. Jos laajennamme konsentristen kuorien sarjan äärettömään, niin uloimman kuoren pyörimisfrekvenssi on nolla, jolloin kuorella on pienin (eli nolla) todellinen energia (ei-nollataajuinen kulmamomentti) ja suurin (eli nolla) potentiaalienergia (nollataajuinen kulmamomentti).

Potentiaalienergia on kappaleeseen varastoitunutta tai varastoitunutta energiaa. Se asetetaan usein vastakkain kineettisen energian kanssa.

Fysiikassa potentiaalienergia on energiaa, joka kappaleella on sen sijainnin vuoksi voimakentässä tai joka systeemillä on sen osien sijoittelun vuoksi. Yleisiä tyyppejä ovat esimerkiksi kappaleen gravitaatiopotentiaalienergia, joka riippuu sen pystyasennosta ja massasta, venytetyn jousen elastinen potentiaalienergia ja varauksen sähköinen potentiaalienergia sähkökentässä. Energian SI-yksikkö on joule (symboli J).

Potentiaalienergia liittyy usein palauttaviin voimiin, kuten jousen tai painovoiman kaltaisiin voimiin. Jousen venyttämisen tai massan nostamisen suorittaa ulkoinen voima, joka toimii potentiaalin voimakenttää vastaan. Tämä työ varastoituu voimakenttään, jonka sanotaan olevan varastoituna potentiaalienergiana. Jos ulkoinen voima poistetaan, voimakenttä vaikuttaa kappaleeseen suorittaakseen työn, kun se siirtää kappaleen takaisin alkuasentoon, vähentää jousen venymistä tai aiheuttaa kappaleen putoamisen. Tällöin potentiaalienergia muuttuu liike-energiaksi. Kokonaisenergia pysyy samana energian säilymislain vuoksi.

Fyysikot sanovat, että potentiaalienergia on tietyssä asennossa olevan kappaleen energian ja sen vertailuasennossa olevan energian erotus.

Yksinkertaisia esimerkkejä

Kiven vieminen ylämäkeen lisää sen potentiaalienergiaa painovoiman vaikutuksesta. Kuminauhan venyttäminen lisää sen elastista potentiaalienergiaa, joka on eräs sähköisen potentiaalienergian muoto. Polttoaineen ja hapettimen seoksella on kemiallinen potentiaalienergia, joka on toinen sähköisen potentiaalienergian muoto. Myös akuilla on kemiallista potentiaalienergiaa.

Potentiaalienergian lajit

Potentiaalienergiaa on monenlaista, ja kukin niistä liittyy tietyntyyppiseen voimaan.

Gravitaatiopotentiaalienergia

Gravitaatiopotentiaalienergiaa kokee kappale silloin, kun systeemissä on korkeus ja massa. Gravitaatiopotentiaalienergia saa esineet liikkumaan toisiaan kohti. Jos esinettä nostetaan maapallolta tietyn matkan päähän pinnasta, koettu voima aiheutuu painosta ja korkeudesta.

Sähköinen potentiaalienergia

Sähköistä potentiaalienergiaa kokevat sekä erilaiset että samanlaiset varaukset, kun ne hylkivät tai vetävät toisiaan puoleensa. Varaukset voivat olla joko positiivisia (+) tai negatiivisia (-), jolloin vastakkaiset varaukset vetävät puoleensa ja samankaltaiset varaukset hylkivät. Jos kaksi varausta sijoitetaan tietyn etäisyyden päähän toisistaan, varausten väliin varastoitunut potentiaalienergia voidaan laskea seuraavasti:

Elastinen potentiaalienergia

Elastista potentiaalienergiaa koetaan, kun kumimaista materiaalia vedetään pois tai työnnetään yhteen. Esimerkiksi jousi varastoi elastista potentiaalienergiaa. Potentiaalienergian määrä, joka materiaalilla on, riippuu vedetyn tai työnnetyn matkan pituudesta. Mitä pidempi matka työnnetään, sitä suurempi elastinen potentiaalienergia materiaalilla on. Jos materiaalia vedetään tai työnnetään, potentiaalienergia voidaan laskea seuraavasti:

Sivut

Kineettinen energia

Kuvia lapsille

Trebuchet käyttää gravitaatiopotentiaalin avulla vastapainon potentiaalienergiaa heittääkseen ammuksia yli kaksisataa metriä
Jousia käytetään tallentamaan elastista potentiaalienergiaa