Βαρυτικό Δυναμικό και Πεδίο:Ορισμός, Τύπος και Παράδειγμα

Οι βαρυτικές δυναμικές ενέργειες αναφέρονται στην ενέργεια που αποθηκεύεται από ένα αντικείμενο. Η κατακόρυφη θέση ή το ύψος οποιουδήποτε αντικειμένου επηρεάζει την αποθήκευση ενέργειας. Η αποθήκευση ενέργειας συμβαίνει λόγω της βαρυτικής έλξης. Με απλούς όρους, η βαρυτική δυναμική ενέργεια είναι μια πηγή ισχύος που σχετίζεται με τη βαρύτητα ή την κλίση της βαρύτητας.

Τι είναι η βαρυτική δυναμική ενέργεια;

Η βαρυτική έλξη, μερικές φορές γνωστή ως βαρύτητα, είναι ίσως η πιο κρίσιμη δύναμη στον κόσμο. Οι βαρυτικές δυνάμεις ενέργειες έχουν προκύψει από το νόμο της βαρύτητας. Η αντίστροφη τετραγωνική δύναμη βαρύτητας πλησιάζει το μηδέν για μάζα που βρίσκεται σε μεγάλες αποστάσεις.

Οι βαρυτικές δυνάμεις ενέργειες ενός πλανήτη θα είναι αρνητικές καθώς η βαρύτητα θα λειτουργήσει θετικά κατά την προσέγγιση της μάζας. Οι αρνητικές δυνητικές ενέργειες υποδεικνύουν μια δεσμευμένη κατάσταση, αφού η μάζα πλησιάσει ένα μεγάλο αντικείμενο. Σε αυτή την περίπτωση, η ενέργεια θα παγιδευτεί έως ότου μια εξωτερική δύναμη επιτρέψει τη διαφυγή ενέργειας.

Μια μάζα σε μια βαρυτική επίδραση παράγει μια δύναμη που βοηθά τη βαρύτητα να μεταφέρει ενέργειες στην αποθήκευση. Δυνητική ενέργεια είναι το όνομα που δίνεται σε αυτό το απόθεμα. Με βασικούς όρους, η βαρυτική ενέργεια είναι το δυναμικό που έχει ή αποκτά ένα αντικείμενο λόγω αυτής της μετατόπισης στη θέση του ενώ βρίσκεται υπό βαρυτική επίδραση.

Σκεφτείτε ένα βιβλίο που βρίσκεται πάνω από ένα τραπέζι για να κατανοήσετε τις θεμελιώδεις έννοιες του δυναμικού και της κινητικής ενέργειας. Το βιβλίο στο τραπέζι θα προσελκύσει βαρυτική έλξη καθώς βρίσκεται σε απόσταση. Αν και το βιβλίο που τοποθετείται στο πάτωμα δεν θα πέσει καθώς βρίσκεται πιο κοντά στη βαρυτική δύναμη.

Αν και τα βιβλία στο ράφι έχουν βαρυτική δυναμική ενέργεια, αυτά στο πάτωμα δεν έχουν πάντα μια. Ο τύπος βαρυτικού δυναμικού συνδέει τη μάζα (m), τη βαρυτική επιτάχυνση στη Γη (g) και το ύψος πάνω από την επιφάνεια του πλανήτη (h) με τη βαρυτικά αποθηκευμένη ενέργεια.

Η πιο κοινή μορφή τύπου βαρυτικής δυναμικής ενέργειας είναι U=-GMm/r. Στο G αναφέρεται στη σταθερή βαρύτητα, το M αναφέρεται στη μάζα του αντικειμένου, το r αναφέρεται στην απόσταση των κέντρων των αντικειμένων. Αυτός ο τύπος χρησιμοποιείται συχνά για τον υπολογισμό της ταχύτητας διαφυγής από τη βαρύτητα της γης 

Πεδία βαρύτητας

Μια μαγνητική έλξη συγκεντρώνει όλες τις μάζες. Αυτή η δύναμη αναφέρεται ως βαρυτική δύναμη ή βάρος. Οι συνθήκες βαρύτητας της Γης καθορίζουν τη βαρύτητα όλων των αντικειμένων στη Γη. Το βαρυτικό πεδίο χρησιμοποιείται όταν ασκείται πίεση στο αντικείμενο από απόσταση. Οι γραμμές βαρυτικού πεδίου μάς επιτρέπουν να δούμε τις δυνάμεις που θα ενεργούσαν σε ένα αντικείμενο σε μια συγκεκριμένη θέση σχετικά με ένα άλλο βαρυτικό αντικείμενο.

Η ένταση των ηλεκτρικών πεδίων είναι ίση με το μέγεθος της δύναμης. Ο προσανατολισμός των ηλεκτρικών πεδίων αποκαλύπτει την ταχύτητα και την κατεύθυνση που θα συναντούσε ένας όγκος αν τοποθετηθεί σε ένα συγκεκριμένο σημείο.

Τύπος βαρυτικής δυναμικής ενέργειας

Ο τύπος της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας μπορεί να αναπαρασταθεί ως:

GPE =m⋅g⋅h 

Πού,

• Η δυναμική ενέργεια ποσοτικοποιείται σε joules (J).
• Η μάζα σε κιλά υποδεικνύεται με το σύμβολο m (kg).
Το
• h υποδηλώνει το ύψος σε μέτρα (m).
• Ένταση κλίσης βαρύτητας (g) [newtons ανά χιλιόγραμμο]

Η βαρυτική επιτάχυνση στη Γη είναι (σχεδόν) σταθερή εξίσου στο έδαφος και επισκόπηση του κέντρου μάζας του πλανήτη:g =9,81 m/s2. Ως αποτέλεσμα, τα μόνα δεδομένα που θα χρειαστείτε για να υπολογίσετε το GPE είναι η μάζα και το ύψος του αντικειμένου πάνω από την επιφάνεια.

Ερώτηση εξάσκησης

Σκεφτείτε ένα φορτίο 10 kg που αναρτάται από έναν άξονα μετάδοσης κίνησης σε ύψος 5 μέτρων. Ποια είναι η βαρυτική του δυναμική ενέργεια;

Η απλή αντικατάσταση των γνωστών τιμών στην εξίσωση αποδίδει:

GPE =m⋅g⋅h 

m =10 kg, 

g =9,81 m/s2,  

h =5 m 

GPE =490,5 J

Μαθαίνουμε ότι η λανθάνουσα θερμότητα ενός σώματος προσδιορίζεται ως το δυναμικό που απορροφάται από το δέρμα στη συγκεκριμένη θέση. Όταν εξωτερικές δυνάμεις τροποποιούν τη θέση του σώματος, η επιτάχυνση του αντικειμένου είναι ισοδύναμη με την ποσότητα της εργασίας που εκτελείται στο σώμα, κυρίως από πιέσεις.

Το έργο που γίνεται από τη βαρυτική δύναμη παραμένει σταθερό κατά μήκος της διαδρομής. Έτσι,  η μετατόπιση της μάζας προς τα δεξιά, την καθιστά συντηρητική πίεση. Στο διηνεκές, η δύναμη βαρύτητας σε ένα σώμα είναι μηδέν, επομένως το βαρυτικό του δυναμικό είναι μηδέν, το οποίο θα αναφέρεται ως σημείο αναφοράς.

Συμπέρασμα

Η ενέργεια που ανήκει ή αποκτάται από ένα αντικείμενο λόγω μιας αλλαγής στη θέση του ενώ βρίσκεται σε ένα βαρυτικό πεδίο είναι γνωστή ως βαρυτική δυναμική ενέργεια. Με απλά λόγια, η ενέργεια βαρυτικής επιτάχυνσης είναι ένας τύπος ενέργειας που συνδέεται με τη βαρύτητα ή τη βαρυτική δύναμη.

Το άρθρο διερευνά διάφορες έννοιες που σχετίζονται με το θέμα, το οποίο περιλαμβάνει βαρυτική δυναμική ενέργεια, πεδία βαρύτητας, τύπο δυνητικής ενέργειας βαρύτητας και ερωτήσεις πρακτικής.