Energia potențială gravitațională este dobândită de un obiect atunci când a fost deplasat împotriva unui câmp gravitațional. De exemplu, un obiect ridicat deasupra suprafeței Pământului va câștiga energie, care este eliberată dacă obiectului i se permite să cadă înapoi pe pământ. Pentru ca un obiect să fie ridicat vertical în sus, trebuie să se lucreze împotriva tragerii în jos a gravitației. Această muncă este apoi stocată ca energie potențială gravitațională. Când obiectul este eliberat și cade spre Pământ, potențialul este transformat în energie cinetică sau mișcare.
Un pendul este un bun exemplu al relației dintre potențialul gravitațional și energia cinetică. În punctul său cel mai înalt, pendulul are doar energie potențială. Pe măsură ce coboară, aceasta este convertită în energie cinetică, atingând un maxim în punctul său cel mai de jos, unde nu are energie potențială. Pe măsură ce se balansează din nou, cinetica este convertită în energie potențială.
Cantitatea de energie potențială pe care o posedă un obiect depinde de masa sau greutatea obiectului, de înălțimea acestuia deasupra suprafeței și de puterea câmpului gravitațional. Dacă ceilalți factori sunt aceiași, un obiect greu va avea mai multă energie potențială gravitațională decât un obiect mai ușor. Un obiect aflat la 1 milă (1.6 km) în sus pe cer va avea mai multă energie decât același obiect la 1 picior (30.48 cm) de la suprafață. Pe Lună, care are un câmp gravitațional mai slab decât Pământul, un obiect va avea mai puțină energie potențială decât același obiect la o înălțime similară deasupra Pământului.
Calcularea energiei potențiale gravitaționale
Energia potențială a unui obiect poate fi calculată ca masa obiectului, înmulțită cu forța gravitațională, înmulțită cu înălțimea obiectului deasupra unui punct dat. Acest punct ar putea fi suprafața Pământului sau ar putea fi podeaua unei încăperi. De fapt, potențialul poate fi calculat pentru orice punct de sub obiect.
Forța gravitațională este de obicei exprimată ca accelerația experimentată de un obiect lăsat să cadă liber, fără a ține cont de efectele rezistenței aerului sau ale frecării. Deși puterea câmpului gravitațional de la suprafața Pământului variază de la un loc la altul, variațiile sunt atât de mici încât sunt aproape neglijabile. Prin urmare, în fizică, accelerația datorată gravitației în apropierea suprafeței Pământului este de obicei considerată o constantă, cu o valoare de aproximativ 32 de picioare (9.8 metri) pe secundă (picioare/s2 sau m/s2). O formulă simplă a energiei potențiale pentru un obiect ridicat de pe suprafața pământului ar putea fi, prin urmare, formulată după cum urmează:
energie potențială = masa obiectului în lire × 32 × înălțimea obiectului în picioare sau energia potențială = masa obiectului în kilograme × 9.8 × înălțimea obiectului în metri
Această formulă funcționează bine pentru obiectele apropiate de suprafața Pământului. Poate fi adaptat cu ușurință pentru a face față unor scenarii similare în alte câmpuri gravitaționale, de exemplu pe Lună sau pe Marte, modificând în mod corespunzător valoarea forței gravitaționale. Deoarece puterea oricărui câmp gravitațional scade odată cu distanța de la sursa sa, totuși, această formulă va funcționa numai pentru obiecte relativ apropiate de suprafața unei surse de gravitație, unde reducerea forței gravitaționale este prea mică pentru a fi importantă. Pentru obiectele relativ îndepărtate de o suprafață, trebuie luate în considerare masa sursei de gravitație și distanța de la centrul acesteia la obiect.
Utilizeaza
Probabil cea mai importantă utilizare a energiei potențiale gravitaționale este energia hidroelectrică. Aici, energia potențială a apei dintr-un lac sau un rezervor situat deasupra unei centrale electrice este exploatată pentru a genera energie electrică. Apa este lăsată să coboare din rezervor, transformând potențialul în energie cinetică, iar mișcarea apei antrenează o turbină, care generează un curent electric. În perioadele de cerere scăzută, centrala electrică poate avea un exces de energie electrică, care poate fi folosită pentru a pompa apa înapoi în rezervor, generând mai multă energie potențială.
O altă aplicație este în contragreutăți, care sunt utilizate într-o serie de dispozitive mecanice. De exemplu, unele tipuri de lift folosesc o contragreutate în așa fel încât aceasta să coboare atunci când vagonul liftului urcă și invers. Când mașina se ridică, energia potențială a contragreutății este convertită în energie cinetică pe măsură ce coboară, astfel încât să ajute la tragerea mașinii în sus, reducând cantitatea de muncă pe care trebuie să o facă motorul care antrenează dispozitivul. Pe măsură ce vagonul liftului coboară – ajutat de gravitație – contragreutatea este trasă înapoi în sus, câștigând energie potențială.