Kas ir gravitācijas potenciālā enerģija?

Svārsts ir labs piemērs attiecībām starp gravitācijas potenciālu un kinētisko enerģiju. Augstākajā punktā svārstam ir tikai potenciālā enerģija. Kad tas nolaižas, tas tiek pārvērsts kinētiskā enerģijā, sasniedzot maksimumu zemākajā punktā, kur tai nav potenciālās enerģijas. Kad tas atkal šūpojas uz augšu, kinētika tiek pārvērsta potenciālajā enerģijā.

Objekta potenciālās enerģijas daudzums ir atkarīgs no objekta masas vai svara, tā augstuma virs virsmas un gravitācijas lauka stipruma. Ja pārējie faktori ir vienādi, smagam objektam būs lielāka gravitācijas potenciālā enerģija nekā vieglākam objektam. Objektam, kas atrodas 1,61 km augšā debesīs, būs vairāk enerģijas nekā tam pašam objektam, kas atrodas 0,3 m attālumā no virsmas. Uz Mēness, kura gravitācijas lauks ir vājāks nekā Zemei, objektam būs mazāka potenciālā enerģija nekā tam pašam objektam līdzīgā augstumā virs Zemes.

Gravitācijas potenciālās enerģijas aprēķināšana

Objekta potenciālo enerģiju var aprēķināt kā objekta masu, reizinot ar gravitācijas spēku, reizinot ar objekta augstumu virs noteiktā punkta. Šis punkts varētu būt Zemes virsma vai telpas grīda. Faktiski potenciālu var aprēķināt jebkuram punktam zem objekta.

Gravitācijas spēku parasti izsaka kā paātrinājumu, ko izjūt objekts, kam ir atļauts brīvi krist, neņemot vērā gaisa pretestības vai berzes ietekmi. Lai gan gravitācijas lauka stiprums uz Zemes virsmas dažādās vietās ir atšķirīgs, atšķirības ir tik mazas, ka tās ir gandrīz niecīgas. Tāpēc fizikā gravitācijas paātrinājums Zemes virsmas tuvumā parasti tiek uzskatīts par konstantu, kura vērtība ir aptuveni 9,75 m sekundē (pēdas/s2 vai m/s2). Tāpēc vienkāršu potenciālās enerģijas formulu objektam, kas pacelts no zemes virsmas, varētu formulēt šādi:

potenciālā enerģija = objekta masa mārciņās × 32 × objekta augstums pēdās vai potenciālā enerģija = objekta masa kilogramos × 9.8 × objekta augstums metros

Šī formula labi darbojas objektiem, kas atrodas tuvu Zemes virsmai. To var viegli pielāgot, lai tiktu galā ar līdzīgiem scenārijiem citos gravitācijas laukos, piemēram, uz Mēness vai Marsa, attiecīgi mainot gravitācijas spēka vērtību. Tā kā jebkura gravitācijas lauka stiprums samazinās, attālinoties no tā avota, šī formula darbosies tikai objektiem, kas atrodas relatīvi tuvu gravitācijas avota virsmai, kur gravitācijas spēka samazinājums ir pārāk neliels, lai tas būtu svarīgs. Objektiem, kas atrodas relatīvi tālu no virsmas, jāņem vērā gravitācijas avota masa un attālums no tā centra līdz objektam.

Izmanto

Iespējams, ka vissvarīgākā gravitācijas potenciālās enerģijas izmantošana ir hidroelektrostacija. Šeit elektroenerģijas ražošanai tiek izmantota ūdens potenciālā enerģija ezerā vai rezervuārā, kas atrodas augstu virs spēkstacijas. Ūdenim ļauj nolaisties no rezervuāra, pārvēršot potenciālu kinētiskā enerģijā, un ūdens kustība iedarbina turbīnu, kas ģenerē elektrisko strāvu. Zema pieprasījuma periodos elektrostacijā var būt elektroenerģijas pārpalikums, ko var izmantot ūdens atsūknēšanai uz rezervuāru, veidojot vairāk potenciālās enerģijas.

Vēl viens pielietojums ir pretsvaros, ko izmanto vairākās mehāniskās ierīcēs. Piemēram, daži liftu veidi izmanto pretsvaru tādā veidā, ka tas nolaižas, kad lifta kabīne paceļas, un otrādi. Automašīnai braucot uz augšu, pretsvara potenciālā enerģija, tai nolaižoties, tiek pārvērsta kinētiskajā enerģijā, tādējādi palīdzot pacelt automašīnu uz augšu, samazinot darba apjomu, kas jāveic motoram, kas darbina ierīci. Lifta kabīnei nolaižoties — ar gravitācijas palīdzību — pretsvars tiek vilkts atpakaļ uz augšu, iegūstot potenciālo enerģiju.