位置エネルギー１５選

「位置エネルギー」という用語は、19世紀にスコットランドの機械技師ウィリアム・ランキンによって造られました。それはすぐに、私たちの宇宙を表す公式で最も影響力のある変数の1つになりました。

 

位置エネルギーとは何でしょう？

位置エネルギーは、物体内に保存されるエネルギーです。この蓄えられたエネルギーは、物体の状態、配置、または位置に基づいています。

 

あるいは、運動する「可能性」のあるエネルギーとして考えることもできます。物体の状態、配置、または位置が変化すると、蓄えられたエネルギーが解放されます。

 

位置エネルギーは、静止している物質に保存されている潜在エネルギーとして定義できますが、運動エネルギーと呼ばれる別の形式では、運動している物質によって表されます。

 

位置エネルギーの種類

位置エネルギーにはさまざまなタイプがあり、それぞれ特定のタイプの力に関連付けられています。 4つの主なタイプは、

1、重力による位置エネルギー：ある高さで垂直に保持されている物体のエネルギーです。

2、弾性力による位置エネルギー：伸張または圧縮されたときに物体に保存されるエネルギーです。

3、静電気力による位置エネルギー：電荷による物体のエネルギーです。

4、結合による位置エネルギー：物質の化学結合に保存されるエネルギーです。

 

これらはそれぞれは異なる方法で測定されます。たとえば、重力による位置エネルギー（PE）は、物体の質量（m）、重力（g）、および物体が保持されている高さ（h）に比例します。

 

PE = m.g.h

 

物体の質量が大きく、高さが高いほど、位置エネルギーは大きくなります。

他のエネルギー形式と同様に、位置エネルギーは、kg m2 / s2またはジュール（J）で測定されます。

 

この現象をよりよく説明するために、日常生活で目にする潜在的なエネルギーの興味深い例を集めました。

 

１． 振り子

タイプ：重力による位置エネルギー

 

単純な振り子では、旋回軸を中心に揺れるほぼ質量のない弦の端に重りが取り付けられています。振り子が前後に揺れると、エネルギーは位置エネルギーと運動エネルギーの間で変換されます。

 

重りは、一端で最大の位置エネルギーを持っています。重力の影響を受けて最下点に向かって振れると、位置エネルギーは運動エネルギーに変換され始めます。最下点で重りの位置エネルギーはゼロに達します（運動エネルギーは最大になります）。もう一方の端に到達するまでに、運動エネルギーは完全に位置エネルギーに変換されます。

 

この過程は、振り子が停止するまで数回繰り返されます。エネルギーの一部は熱と摩擦で失われるため、振り子を動かし続けるには外部エネルギーが必要です。

 

２． 崖の端にある岩

タイプ：重力による位置エネルギー

 

崖の端にある岩には、岩の質量と崖の高さに比例する位置エネルギーがあります。崖を押し下げると、同じ位置エネルギーが運動エネルギーに変換されます。

 

画像からわかるように、重い砂岩の大きな岩は急な斜面に不安定に置かれています。いつでも落下する可能性があり、下の谷に数メートル落ちていくように見えるので、斜面に対して位置エネルギーがあります。

 

３． ダムの背後の水

タイプ：重力による位置エネルギー

 

水力発電ダムの背後の水は、ダムの反対側の水よりもはるかに高い水位のため、大量の位置エネルギーを蓄えています。そのようなダムのゲートが開くと、水が落ち始め、蓄積された位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、タービンを回して発電します。

 

発電とは別に、ダムは川の流れを制御し、洪水を調整する目的で建設されています。

 

４． 木の枝

タイプ：重力による位置エネルギー

 

木の枝は地面に落下する可能性があるため、潜在的なエネルギーを持っています。枝が重く、地面から高いほど、より多くの位置エネルギーがあります。

 

同様に、枝からぶら下がっている果物にも潜在的なエネルギーがあります。果物が落ちるとき、その場所のエネルギー（位置エネルギー）は動きのエネルギー（運動エネルギー）に変換されます。そして地面にぶつかると、運動エネルギーが熱エネルギーに変換されます。

 

５． ジェットコースター

タイプ：重力による位置エネルギー

 

ほとんどのジェットコースターは、重力を使って車両をレールに沿って移動させます。大きなチェーン（車両の下部に接続されている）は、ジェットコースターで最も高い最初の坂の頂上まで車を引っ張っています。車両が坂の頂上に到達すると、チェーンから解放され、残りのレールを滑走します。

 

ジェットコースターでは、2つの種類のエネルギーが作用します：位置エネルギーと運動エネルギーです。走行中に1つが別のものに変換されますが、空気抵抗と摩擦によりかなりの量のエネルギーが失われます。

 

車両の重力による位置エネルギーは、ジェットコースターの最低点で最も低く、最高点で最大となります。

 

６． ばね

タイプ：弾性力による位置エネルギー

 

圧縮性/伸縮性の物体に保存されたエネルギーは、弾性力による位置エネルギーと呼ばれます。物体が圧縮/伸長できるほど、物体の弾性力による位置エネルギー（U）は大きくなります。これは、ばね定数（k）とばねの圧縮/伸張の長さ（x）（単位メートル）に比例します。

 

ばねが伸びたり縮んだりすると、ある程度の位置エネルギーが得られます。これは、弦を伸張または圧縮するために使用された運動エネルギーと同じです。

 

ばねが解放されると、位置エネルギーは再び運動エネルギーに変換されます。しかし、エネルギーのかなりの部分が熱と摩擦で失われるため、エネルギー変換過程は完全に効率的というわけではありません。

 

７． 弓と矢

タイプ：弾性力による位置エネルギー

 

弓矢は、弾力発射ツール（弓）と長軸発射体（矢）で構成される、伝統的な遠隔兵器システムです。

 

射手は筋肉を使って弦に力を加え、手を後方に引っ張ります。この弦に加える力は「ドローウェイト」として知られています。これで、弾性エネルギーが位置エネルギーになり、弦を離すことで矢を放つことができます。

 

手を後方に引っ張って変形させるほど、蓄積される位置エネルギーが増加します。当然ながら、弓を引くために適用できる力の大きさと、壊れることなく弓が耐えることができる力には限界があります。

 

８． 輪ゴム

タイプ：弾性力による位置エネルギー

 

今までに輪ゴムで撃たれたことがありますか？もし「イエス」なら、それが腕を打てばヒリヒリと痛くなるのに十分なエネルギーを含んでいることをご存知でしょう。

 

輪ゴムを引くと、そこにいくらかの位置エネルギーが提供されます。そして、それを解放すると、この位置エネルギーはすぐに運動エネルギーに変換されます。

 

９． 電気回路

タイプ：静電気力による位置エネルギー

 

私たちは電気を電力回路や機器に利用する際、ネルギーをある形から別の形に変換しています。電子回路は（潜在的な）エネルギーを蓄え、それを光、熱、運動などの他の形に転換させます。

 

重力の影響下にある物体が重力による位置エネルギーを持っているのと同様に、電界内の電荷は静電気力による位置エネルギーを持っています。

 

電荷の静電気力による位置エネルギーは、どれだけエネルギーが含まれているのかを示しています。静電気力によって動き始めると、この蓄積されたエネルギーは運動になり、電荷が機能します（ジュールで測定されます）。

 

電界内の電荷の場合、その静電気力による位置エネルギーは、種類（負または正）、電荷の量、および電界内の位置によって決まります。

 

１０．食べ物

タイプ：結合による位置エネルギー

 

私たちが食べる食べ物には、結合による位置エネルギーが蓄えられています。私たちの胃に到達すると、同じエネルギーを体が利用する他の形に変換します。

 

食品中の原子間の結合が壊れたり緩んだりすると、化学反応が起こり、新しい化合物が形成されます。この反応から生成されるエネルギーは体温を維持し、動き、成長するの手助けをします。食べ物によってエネルギーの量は異なります。

 

１１．乾燥木材

タイプ：結合による位置エネルギー

 

乾燥木材には結合による位置エネルギーが含まれています。暖炉で燃やされると、彼らはこの化学的エネルギーを放出し、最終的には光と熱エネルギーに変換されます。化学反応の後、木材は新しい物質である灰に変わります。

 

１２．単三電池

タイプ：結合による位置エネルギー

 

単三電池のセットなどの従来の電池は、電気エネルギーに変換できる結合による位置エネルギーを持っています。

 

すべてのバッテリーは2つの電極（1つの陰極と1つの陽極）で構成されています。これらの電極の間には、電解質と呼ばれるゲル状の物質があります。これは、電極材と結合する荷電粒子またはイオンで構成され、バッテリーが電流を生成できるようにする化学反応を生成します。

 

電極と電解質が異なると、バッテリーの効率（蓄えられるエネルギーの量と電圧）を決める様々な化学反応が作り出されます。

 

１３．ダイナマイト

タイプ：結合による位置エネルギー

 

ダイナマイトは、結合による位置エネルギーのもう1つの有名な例です。ニトログリセリン（非常に不安定な物質）、吸着剤（粉末の殻や粘土など）、および安定剤でできています。

 

点火すると、ダイナマイト内のニトログリセリンが急速に爆発し、大量の窒素やその他のガスが熱とともに放出されます。

 

１４．ガソリン

タイプ：結合による位置エネルギー

 

ガソリンを車に入れると、化結合による位置エネルギーが車に供給されます。このエネルギーは、ガソリンを構成するさまざまな化学物質（主に石油の分留によって得られる有機化合物）に含まれています。

 

エネルギーは、ガソリンが車両のエンジンで制御された方法で燃焼されるときに放出されます。この潜在的なエネルギー放出は2つのことを行います：エネルギーの一部は仕事に変換され、それが車両の移動に使用されますが、一部は熱に変換され、車両のエンジンを非常に高温にします。

 

１５．原子力発電所

タイプ：核による位置エネルギー

 

核による位置エネルギーは、原子核の内部に存在する（陽子や中性子のような）亜原子粒子の位置エネルギーです。陽子と中性子を保持しており、核を形成します。

 

2つ以上の原子核が結合して大きな原子核を形成すると（核融合）、大量のエネルギーが放出されます。同様に、1つの原子核が2つの小さい原子核（核分裂）に分割されると、大量のエネルギーが放出されます。

 

原子力発電所は、そのような核反応（主にウランとプルトニウムの核分裂）を使用して熱を生成し、それを蒸気タービンで使用して電気を生成します。

 

他のエネルギー源と比較して、原子力発電所は原材料の使用量が少なく、排出量がゼロで、より強力で効率的です。