La énergie potentielle C'est l'énergie que les corps possèdent en vertu de leur configuration. Lorsque les objets interagissent, il y a des forces entre eux capables de faire du travail, et cette capacité à faire du travail, qui est stockée dans leur disposition, peut se traduire en énergie..
Par exemple, les humains ont exploité l'énergie potentielle des chutes d'eau depuis des temps immémoriaux, d'abord dans les filatures, puis dans les centrales hydroélectriques..
D'autre part, de nombreux matériaux ont une capacité remarquable à travailler en se déformant puis en revenant à leur taille d'origine. Et dans d'autres circonstances, la disposition de la charge électrique permet le stockage de l'énergie potentielle électrique, comme par exemple dans un condensateur.
L'énergie potentielle offre de nombreuses possibilités pour se transformer en d'autres formes d'énergie utilisable, d'où l'importance de connaître les lois qui la régissent..
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L'énergie potentielle d'un objet a son origine dans les forces qui l'affectent. Cependant, l'énergie potentielle est une grandeur scalaire, tandis que les forces sont vectorielles. Par conséquent, pour spécifier l'énergie potentielle, il suffit d'indiquer sa valeur numérique et les unités sélectionnées.
Une autre qualité importante est le type de force avec laquelle l'énergie potentielle peut être stockée, car toutes les forces n'ont pas cette vertu. Seules les forces conservatrices stockent l'énergie potentielle dans les systèmes sur lesquels elles agissent.
Une force conservatrice est une force pour laquelle le travail ne dépend pas du chemin suivi par l'objet, mais uniquement du point de départ et du point d'arrivée. La force qui pousse l'eau qui tombe est la gravité, qui est une force conservatrice.
D'autre part, les forces élastiques et électrostatiques ont également cette qualité, donc une énergie potentielle leur est associée..
Les forces qui ne satisfont pas à l'exigence susmentionnée sont dites non conservatrices; exemple d'entre eux sont dans le frottement et la résistance de l'air.
Puisque l'énergie potentielle dérive toujours de forces conservatrices telles que celles déjà mentionnées, nous parlons d'énergie potentielle gravitationnelle, d'énergie potentielle élastique, d'énergie potentielle électrostatique, d'énergie potentielle nucléaire et d'énergie potentielle chimique..
Tout objet a une énergie potentielle en fonction de sa hauteur par rapport au sol. Ce fait apparemment simple illustre pourquoi les chutes d'eau peuvent entraîner des turbines et être éventuellement transformées en énergie électrique. L'exemple des skieurs présenté ici montre également la relation entre le poids et la hauteur et l'énergie potentielle gravitationnelle..
Un autre exemple est celui d'une voiture de montagnes russes, qui a une énergie potentielle plus élevée lorsqu'elle est à une certaine hauteur au-dessus du sol. Une fois qu'il a atteint le niveau du sol, sa hauteur est égale à zéro et toute son énergie potentielle a été transformée en énergie cinétique (énergie de mouvement).
Les objets tels que les ressorts, les arcs, les arbalètes et les élastiques sont capables de stocker de l'énergie potentielle élastique..
L'élasticité d'un corps ou d'un matériau est décrite par la loi de Hooke (jusqu'à certaines limites), qui nous dit que la force capable d'exercer lorsqu'il est comprimé ou étiré est proportionnelle à sa déformation.
Par exemple dans le cas d'un ressort ou d'un ressort, cela signifie que plus il rétrécit ou s'étire, plus l'effort qu'il peut exercer sur un objet placé à une extrémité est important..
C'est l'énergie que possèdent les charges électriques en raison de leur configuration. Les charges électriques du même signe se repoussent, donc pour placer une paire de charges positives - ou négatives - dans une certaine position, un agent externe doit travailler. Sinon, ils auraient tendance à se séparer.
Ce travail est stocké de la manière dont les charges ont été localisées. Plus les charges du même signe sont proches, plus l'énergie potentielle de la configuration sera élevée. Le contraire se produit lorsqu'il s'agit de nombreux signes différents; comment ils attirent, plus ils sont proches, moins ils ont d'énergie potentielle.
Le noyau atomique est composé de protons et de neutrons, appelés génériquement nucléons. Les premiers ont une charge électrique positive et les seconds sont neutres..
Puisqu'ils sont agglomérés dans un espace minuscule au-delà de l'imagination, et sachant que des charges d'un même signe se repoussent, on se demande comment le noyau atomique reste cohésif.
La réponse réside dans des forces autres que la répulsion électrostatique, typiques du noyau, telles que l'interaction nucléaire forte et l'interaction nucléaire faible. Ce sont des forces très fortes, qui dépassent de loin la force électrostatique.
Cette forme d'énergie potentielle provient de la façon dont les atomes et les molécules des substances sont disposés, selon les différents types de liaisons chimiques..
Lorsqu'une réaction chimique se produit, cette énergie peut être transformée en d'autres types, par exemple au moyen d'une batterie ou d'une batterie électrique.
L'énergie potentielle est présente dans la vie quotidienne de plusieurs manières. Observer ses effets est aussi simple que de placer n'importe quel objet à une certaine hauteur et d'être certain qu'il peut rouler ou tomber à tout moment.
Voici quelques manifestations des types d'énergie potentielle précédemment décrits:
-Montagnes russes
-Voitures ou balles roulant en descente
-Arcs et flèches
-Batteries électriques
-Un pendule d'horloge
-Balancer sur une balançoire
-Sautez sur un trampoline
-Utiliser un stylo rétractable.
Voir: exemples d'énergie potentielle.
L'énergie potentielle dépend du travail effectué par la force et cela ne dépend pas à son tour de la trajectoire, on peut donc affirmer que:
-Si A et B sont deux points, le travail WUN B nécessaire pour passer de A à B est égal au travail nécessaire pour passer de B à A. Par conséquent: WUN B = WBA, alors:
WUN B + WBA = 0
-Et si deux trajectoires différentes 1 et 2 sont essayées pour joindre lesdits points A et B, le travail effectué dans les deux cas est également le même:
W1 = Wdeux.
Dans les deux cas, l'objet subit un changement d'énergie potentielle:
Changement = Énergie potentielle finale - Énergie potentielle initiale
ΔU = Ufinal - OU ALORSinitiale = UB - OU ALORSÀ
Eh bien, l'énergie potentielle de l'objet est définie comme le négatif du travail effectué par la force (conservatrice):
ΔU = -WUN B
Mais puisque le travail est défini par cette intégrale:
Notez que les unités d'énergie potentielle sont les mêmes que celles de travail. Dans le système international SI, l'unité est le joule, qui est abrégé J et équivaut à 1 newton x mètre, par le physicien anglais James Joule (1818-1889).
Les autres unités d'énergie comprennent l'erg cgs, la livre-force x pied, le BTU (Unité thermique britannique), calories et kilowattheures.
Voyons ci-dessous quelques cas particuliers de calcul de l'énergie potentielle.
Au voisinage de la surface terrestre, la force de gravité pointe verticalement vers le bas et sa magnitude est donnée par l'équation Poids = masse x gravité.
En désignant l'axe vertical par la lettre «y» et en affectant à cette direction le vecteur unitaire j, positif vers le haut et négatif vers le bas, le changement d'énergie potentielle lorsqu'un corps passe de y = yÀ jusqu'à ce que y = yB c'est:
U (y) = mgy
La loi de Hooke nous dit que la force est proportionnelle à la déformation:
F = -k.x
Ici X est la déformation et k est une constante propre du ressort, qui indique sa rigidité. Par cette expression, l'énergie potentielle élastique est calculée, en tenant compte du fait que je est le vecteur unitaire dans la direction horizontale:
U (x) = ½ kxdeux
Lorsque vous avez une charge électrique ponctuelle Q, cela produit un champ électrique qui perçoit une autre charge ponctuelle quelle, et qu'il y travaille quand il est déplacé d'une position à une autre au milieu du terrain. La force électrostatique entre deux charges ponctuelles a une direction radiale, symbolisée par le vecteur unitaire r:
Un ressort dont la constante est k = 10,0 N / cm s'étire initialement à 1,00 cm de sa longueur d'équilibre. Il vous est demandé de calculer l'énergie supplémentaire nécessaire pour étirer le ressort jusqu'à 5,00 cm au-delà de sa longueur d'équilibre..
En substituant directement x = 1,00 cm dans l'équation pour U (x), nous obtenons N.cm, mais les centimètres doivent être convertis en mètres pour obtenir l'énergie en joules:
U (1) = 0,5 x 10,0 N / cm x (1,00 cm)deux = 5 N. cm = 0,05 J; U (5) = 0,5 x 10,0 N / cm x (5,00 cm)deux = 125 N.cm = 1,25 J
Donc la différence d'énergie recherchée est de 1,25 - 0,05 J = 1,20 J.
Un petit bloc est libéré du repos du point A, pour glisser le long de la rampe courbe sans frottement jusqu'au point B.De là, il pénètre dans une longue surface horizontale rugueuse, avec un coefficient de frottement dynamique μk = 0,2. Trouvez à quelle distance du point B il s'arrête, en supposant que hÀ= 3 m.
Lorsque le bloc est à une hauteur hÀ Par rapport au sol, il possède une énergie potentielle gravitationnelle en raison de sa hauteur. Lorsqu'elle est libérée, cette énergie potentielle est progressivement convertie en énergie cinétique, et à mesure qu'elle glisse le long de la rampe courbe lisse, sa vitesse augmente..
Pendant le trajet de A à B, les équations du mouvement rectiligne uniformément varié ne peuvent pas être appliquées. Bien que la gravité soit responsable du mouvement du bloc, le mouvement qu'il subit est plus complexe, car la trajectoire n'est pas rectiligne.
Cependant, comme la gravité est une force conservatrice et qu'il n'y a pas de frottement sur la rampe, vous pouvez utiliser la conservation de l'énergie mécanique pour trouver la vitesse à la fin de la rampe:
Énergie mécanique en A = Énergie mécanique en B
m.g.hÀ + ½ m.vÀdeux = m.g.hB + ½ m.vBdeux
L'expression est simplifiée en notant que la masse apparaît dans chaque terme. Il est libéré du repos vÀ = 0. Et hB est au niveau du sol, hB = 0. Avec ces simplifications, l'expression se réduit à:
vBdeux = ghÀ
Maintenant, le bloc commence son voyage dans la section approximative avec cette vitesse et s'arrête finalement au point C. Par conséquent vC = 0. L'énergie mécanique n'est plus conservée, car le frottement est une force dissipative, qui a fait un travail sur le bloc donné par:
Wtoucher = - force de frottement x distance parcourue
Ce travail a un signe négatif, car le frottement cinétique ralentit l'objet, s'opposant à son mouvement. L'ampleur du frottement cinétique Fk c'est:
Fk = μk .N
Où N est la grandeur de la force normale. La force normale est exercée par la surface sur le bloc, et comme la surface est complètement horizontale, elle équilibre le poids P = mg, donc la grandeur de la normale est:
N = mg
Qui conduit à:
Fk = μk .mg
Le travail qui Fk fait à propos du bloc est: Wk = - fk .D = - μk .mg.D.
Ce travail équivaut à changement d'énergie mécanique, calculé comme ceci:
Énergie mécanique en C - Énergie mécanique en B =
ΔEm = (UC +KC)- (OU ALORSB + KB) = - μk .mg.D
Dans cette équation, certains termes disparaissent: KC = 0, puisque le bloc s'arrête en C et U disparaît égalementC = UB, parce que ces points sont au niveau du sol. La simplification se traduit par:
- KB = - μk .m.g.D
½ m.vBdeux = μk .m.g.D
La masse s'annule à nouveau et D peut être obtenu comme suit:
D = (½ vBdeux) / (μk . g) = (½ vBdeux) / (μk . g) = (½g.hÀ) / (μk . g) = (½hÀ) / μk = 0,5 x 3 m / 0,2 = 7,5 m
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