Η βαρυτική δυναμική ενέργεια αποκτάται από ένα αντικείμενο όταν έχει κινηθεί ενάντια σε ένα βαρυτικό πεδίο. Για παράδειγμα, ένα αντικείμενο που υψώνεται πάνω από την επιφάνεια της Γης θα αποκτήσει ενέργεια, η οποία απελευθερώνεται εάν το αντικείμενο αφεθεί να πέσει πίσω στο έδαφος. Προκειμένου ένα αντικείμενο να ανασηκωθεί κατακόρυφα προς τα πάνω, πρέπει να γίνει εργασία ενάντια στην έλξη της βαρύτητας προς τα κάτω. Αυτό το έργο στη συνέχεια αποθηκεύεται ως βαρυτική δυναμική ενέργεια. Όταν το αντικείμενο απελευθερώνεται και πέφτει προς τη Γη, το δυναμικό μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια ή κίνηση.
Ένα εκκρεμές είναι ένα καλό παράδειγμα της σχέσης μεταξύ βαρυτικού δυναμικού και κινητικής ενέργειας. Στο υψηλότερο σημείο του, το εκκρεμές έχει μόνο δυναμική ενέργεια. Καθώς κατεβαίνει, αυτή μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια, φτάνοντας στο μέγιστο στο χαμηλότερο σημείο της, όπου δεν έχει δυναμική ενέργεια. Καθώς αιωρείται ξανά, η κινητική μετατρέπεται σε δυναμική ενέργεια.
Η ποσότητα δυναμικής ενέργειας που διαθέτει ένα αντικείμενο εξαρτάται από τη μάζα ή το βάρος του αντικειμένου, το ύψος του πάνω από την επιφάνεια και την ισχύ του βαρυτικού πεδίου. Εάν οι άλλοι παράγοντες είναι ίδιοι, ένα βαρύ αντικείμενο θα έχει περισσότερη βαρυτική δυναμική ενέργεια από ένα ελαφρύτερο αντικείμενο. Ένα αντικείμενο 1 μίλι (1.6 km) ψηλά στον ουρανό θα έχει περισσότερη ενέργεια από το ίδιο αντικείμενο 1 πόδι (30.48 cm) από την επιφάνεια. Στη Σελήνη, η οποία έχει ασθενέστερο πεδίο βαρύτητας από τη Γη, ένα αντικείμενο θα έχει λιγότερη δυναμική ενέργεια από το ίδιο αντικείμενο σε παρόμοιο ύψος πάνω από τη Γη.
Υπολογισμός Βαρυτικής Δυναμικής Ενέργειας
Η δυναμική ενέργεια ενός αντικειμένου μπορεί να υπολογιστεί ως η μάζα του αντικειμένου, πολλαπλασιαζόμενη με τη βαρυτική δύναμη, πολλαπλασιαζόμενη με το ύψος του αντικειμένου πάνω από ένα δεδομένο σημείο. Αυτό το σημείο θα μπορούσε να είναι η επιφάνεια της Γης ή θα μπορούσε να είναι το πάτωμα ενός δωματίου. Στην πραγματικότητα, το δυναμικό μπορεί να υπολογιστεί για οποιοδήποτε σημείο κάτω από το αντικείμενο.
Η βαρυτική δύναμη εκφράζεται συνήθως ως η επιτάχυνση που βιώνει ένα αντικείμενο που αφήνεται να πέσει ελεύθερα, αγνοώντας τις επιπτώσεις της αντίστασης του αέρα ή της τριβής. Αν και η ισχύς του βαρυτικού πεδίου στην επιφάνεια της Γης ποικίλλει από μέρος σε μέρος, οι διακυμάνσεις είναι τόσο μικρές που είναι σχεδόν αμελητέες. Στη φυσική, επομένως, η επιτάχυνση λόγω της βαρύτητας κοντά στην επιφάνεια της Γης θεωρείται συνήθως σταθερή, με τιμή περίπου 32 πόδια (9.8 μέτρα) ανά δευτερόλεπτο ανά δευτερόλεπτο (πόδια/s2 ή m/s2). Ένας απλός τύπος δυναμικής ενέργειας για ένα αντικείμενο που σηκώνεται από την επιφάνεια της γης θα μπορούσε επομένως να δηλωθεί ως εξής:
δυναμική ενέργεια = μάζα αντικειμένου σε λίβρες × 32 × ύψος αντικειμένου σε πόδια ή δυναμική ενέργεια = μάζα αντικειμένου σε κιλά × 9.8 × ύψος αντικειμένου σε μέτρα
Αυτή η φόρμουλα λειτουργεί καλά για αντικείμενα κοντά στην επιφάνεια της Γης. Μπορεί εύκολα να προσαρμοστεί για να αντιμετωπίσει παρόμοια σενάρια σε άλλα βαρυτικά πεδία, για παράδειγμα στη Σελήνη ή στον Άρη, αλλάζοντας ανάλογα την τιμή της βαρυτικής δύναμης. Καθώς η ισχύς οποιουδήποτε βαρυτικού πεδίου μειώνεται με την απόσταση από την πηγή του, ωστόσο, αυτός ο τύπος θα λειτουργεί μόνο για αντικείμενα σχετικά κοντά στην επιφάνεια μιας πηγής βαρύτητας, όπου η μείωση της βαρυτικής δύναμης είναι πολύ μικρή για να είναι σημαντική. Για αντικείμενα που βρίσκονται σε σχετικά απόσταση από μια επιφάνεια, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η μάζα της πηγής βαρύτητας και η απόσταση από το κέντρο της στο αντικείμενο.
μπορείτε να χρησιμοποιήσετε
Πιθανώς η πιο σημαντική χρήση της βαρυτικής δυναμικής ενέργειας είναι η υδροηλεκτρική ενέργεια. Εδώ, η δυναμική ενέργεια του νερού σε μια λίμνη ή μια δεξαμενή που βρίσκεται ψηλά πάνω από μια μονάδα παραγωγής ενέργειας αξιοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Το νερό αφήνεται να κατέβει από τη δεξαμενή, μετατρέποντας το δυναμικό σε κινητική ενέργεια και η κίνηση του νερού οδηγεί έναν στρόβιλο, ο οποίος παράγει ηλεκτρικό ρεύμα. Σε περιόδους χαμηλής ζήτησης, ο σταθμός ηλεκτροπαραγωγής μπορεί να έχει περίσσεια ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την άντληση νερού πίσω στη δεξαμενή, δημιουργώντας περισσότερη δυναμική ενέργεια.
Μια άλλη εφαρμογή είναι στα αντίβαρα, τα οποία χρησιμοποιούνται σε πλήθος μηχανικών συσκευών. Για παράδειγμα, ορισμένοι τύποι ανελκυστήρα χρησιμοποιούν ένα αντίβαρο με τέτοιο τρόπο ώστε να κατεβαίνει όταν ανεβαίνει ο θάλαμος του ανελκυστήρα και αντίστροφα. Όταν το αυτοκίνητο ανεβαίνει, η δυναμική ενέργεια του αντίβαρου μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια καθώς κατεβαίνει, έτσι ώστε να βοηθάει το αυτοκίνητο προς τα πάνω, μειώνοντας την ποσότητα εργασίας που πρέπει να γίνει από τον κινητήρα που οδηγεί τη συσκευή. Καθώς ο θάλαμος του ανελκυστήρα κατεβαίνει — με τη βοήθεια της βαρύτητας — το αντίβαρο τραβιέται προς τα πάνω, αποκτώντας δυναμική ενέργεια.