Упругая потенциальная энергия

Энергия сохраняется до тех пор, пока сила не будет снята, и объект не вернется к своей первоначальной форме, выполняя работу в процессе. Деформация может включать сжатие, растяжение или скручивание объекта.
Многие объекты предназначены специально для хранения упругой потенциальной энергии, например:

• спиральная пружина заводных часов;
• растянутый лук лучника;
• надувной шар, сжатый в тот момент, когда он отскакивает от кирпичной стены.

Объект, предназначенный для хранения потенциальной упругой энергии, обычно имеет высокий предел упругости, однако все упругие объекты имеют предел нагрузки, которую они могут выдержать.

Когда деформация превышает предел упругости, объект больше не вернется к своей первоначальной форме.

Совсем недавно заводные механические часы с пружинами были популярными аксессуарами. В настоящее время мы не склонны использовать их, потому что не существует материалов с достаточно высоким пределом упругости для хранения упругой потенциальной энергии с достаточно высокой плотностью энергии.

Как рассчитать упругую потенциальную энергию для идеальной пружины?

Закон Гука об упругости обсуждает, как величина силы $F$ в идеальной пружине линейно зависит от длины сжатия или растяжения $Δx$.

$F = - k \cdot Δx$,

где $k$ – некоторое положительное число, известное как постоянная пружины.

Из определения работы мы знаем, что площадь под графиком силы против смещения дает работу, проделанную силой. На рисунке 1 показан график зависимости силы от смещения для пружины. Поскольку площадь под кривой представляет собой треугольник, и в идеальной пружине энергия не теряется, потенциальная энергия упругости $U$ можно найти по проделанной работе:

$U\;=\;\frac12(\triangle x)\cdot k(\triangle x)\;=\;\frac12k(\triangle x)^2$

Настоящие упругие материалы

Некоторые упругие материалы, такие как резиновые ленты и гибкие пластмассы, могут функционировать как пружины, но часто имеют гистерезис, это означает, что кривая сила –растяжение следует по другому пути, когда материал деформируется, по сравнению с тем, когда он возвращается к своему равновесному положению.

К счастью, основной метод применения определения работы, который мы использовали для идеальной пружины, также работает для упругих материалов в целом. Упругая потенциальная энергия всегда может быть найдена из области под кривой зависимости силы от растяжения, независимо от формы кривой.

Научная статья по физике на заказ от проверенных экспертов по низкой цене!

Тест по теме «Упругая потенциальная энергия»