संभावित ऊर्जा: विशेषताएँ, प्रकार, गणना और उदाहरण - शारीरिक - 2025

संभावित ऊर्जा ऊर्जा है कि अपने स्वयं के विन्यास के तहत निकायों है। जब वस्तुएं परस्पर क्रिया करती हैं, तो कार्य करने में सक्षम उन दोनों के बीच बल होते हैं, और कार्य करने की यह क्षमता, जो उनकी व्यवस्था में संग्रहीत होती है, ऊर्जा में अनुवादित की जा सकती है।

उदाहरण के लिए, मनुष्यों ने अनादिकाल से ही जलप्रपात की संभावित ऊर्जा का दोहन किया है, पहले मिलों और फिर पनबिजली संयंत्रों में।

नियाग्रा फॉल्स: गुरुत्वाकर्षण क्षमता का विशाल भंडार। स्रोत: पिक्साबे

दूसरी ओर, कई सामग्रियों में विकृत होकर काम करने और फिर अपने मूल आकार में लौटने की उल्लेखनीय क्षमता होती है। और अन्य परिस्थितियों में, विद्युत चार्ज की व्यवस्था विद्युत क्षमता ऊर्जा के भंडारण की अनुमति देती है, उदाहरण के लिए संधारित्र में।

संभावित ऊर्जा प्रयोज्य ऊर्जा के अन्य रूपों में परिवर्तित होने की कई संभावनाएं प्रदान करती है, इसलिए उन कानूनों को जानने का महत्व है जो इसे नियंत्रित करते हैं।

संभावित ऊर्जा की उत्पत्ति

किसी वस्तु की संभावित ऊर्जा की उत्पत्ति उन बलों में होती है जो इसे प्रभावित करती हैं। हालांकि, संभावित ऊर्जा एक अदिश राशि है, जबकि बल वेक्टर हैं। इसलिए, संभावित ऊर्जा को निर्दिष्ट करने के लिए, यह इसके संख्यात्मक मूल्य और चयनित इकाइयों को इंगित करने के लिए पर्याप्त है।

एक अन्य महत्वपूर्ण गुण बल का प्रकार है जिसके साथ संभावित ऊर्जा संग्रहीत की जा सकती है, क्योंकि प्रत्येक बल में यह गुण नहीं है। केवल रूढ़िवादी ताकत उन प्रणालियों में संभावित ऊर्जा संग्रहीत करती है जिन पर वे कार्य करते हैं।

एक रूढ़िवादी बल वह है जिसके लिए काम वस्तु द्वारा अनुसरण किए गए मार्ग पर निर्भर नहीं करता है, बल्कि केवल शुरुआती बिंदु और आगमन बिंदु पर होता है। गिरने वाले पानी को चलाने वाला बल गुरुत्वाकर्षण है, जो एक रूढ़िवादी बल है।

दूसरी ओर, लोचदार और इलेक्ट्रोस्टैटिक बलों में भी यह गुण होता है, इसलिए उनके साथ संभावित ऊर्जा जुड़ी होती है।

उपर्युक्त आवश्यकता को पूरा न करने वाले बलों को गैर-रूढ़िवादी कहा जाता है; इनके उदाहरण घर्षण और वायु प्रतिरोध में हैं।

संभावित ऊर्जा के प्रकार

चूंकि संभावित ऊर्जा हमेशा रूढ़िवादी ताकतों से निकलती है जैसे कि पहले से ही उल्लेख किया गया है, इसलिए हम गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा, लोचदार संभावित ऊर्जा, इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित ऊर्जा, परमाणु संभावित ऊर्जा और रासायनिक संभावित ऊर्जा की बात करते हैं।

गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा

किसी भी वस्तु में जमीन से ऊंचाई के कार्य के रूप में संभावित ऊर्जा होती है। यह प्रतीत होता है कि साधारण तथ्य यह दर्शाता है कि गिरता पानी टरबाइनों को चलाने में सक्षम है और अंततः विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित हो रहा है। यहां दिखाया गया स्कीअर उदाहरण भी गुरुत्वाकर्षण क्षमता के लिए वजन और ऊंचाई के संबंध को दर्शाता है।

एक अन्य उदाहरण एक रोलर कोस्टर कार है, जिसमें जमीन से ऊपर एक निश्चित ऊंचाई पर होने पर उच्च क्षमता वाली ऊर्जा होती है। एक बार जब यह जमीनी स्तर पर पहुंच जाता है, तो इसकी ऊंचाई शून्य के बराबर होती है और इसकी सभी संभावित ऊर्जा गतिज ऊर्जा (गति की ऊर्जा) में बदल जाती है।

एनीमेशन एक रोलर कोस्टर पर चलती वस्तु के गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा और गतिज ऊर्जा के बीच विनिमय को दर्शाता है। दोनों ऊर्जाओं का योग, जिसे यांत्रिक ऊर्जा कहा जाता है, पूरे आंदोलन में स्थिर है। स्रोत: विकिमीडिया कॉमन्स

लोचदार ऊर्जा क्षमता

स्प्रिंग्स, धनुष, क्रॉसबो, और रबर बैंड जैसी वस्तुएं लोचदार संभावित ऊर्जा का भंडारण करने में सक्षम हैं।

धनुष को आकर्षित करके, आर्चर वह काम करता है जो धनुष-बाण प्रणाली की संभावित ऊर्जा के रूप में संग्रहीत होता है। जब आप धनुष छोड़ते हैं, तो यह ऊर्जा तीर की गति में बदल जाती है। स्रोत: पिक्साबे

किसी निकाय या किसी पदार्थ की लोच को हुक के नियम (कुछ सीमा तक) द्वारा वर्णित किया जाता है, जो हमें बताता है कि जब यह संकुचित या खिंचा हुआ होता है तो बल इसके विरूपण के समानुपाती होता है।

उदाहरण के लिए, वसंत या वसंत के मामले में, इसका मतलब है कि जितना अधिक यह सिकुड़ता है या फैलता है, उतना ही अधिक बल यह एक छोर पर रखी गई वस्तु पर लगा सकता है।

इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित ऊर्जा

यह ऊर्जा है जो विद्युत शुल्क उनके विन्यास के आधार पर है। एक ही संकेत के विद्युत प्रभार एक दूसरे को दोहराते हैं, इसलिए एक निश्चित स्थिति में सकारात्मक या नकारात्मक चार्ज की एक जोड़ी रखने के लिए, एक बाहरी एजेंट को काम करना चाहिए। अन्यथा वे अलग हो जाते थे।

यह काम उस तरह से संग्रहीत किया जाता है जिस तरह से भार स्थित थे। समान चिह्न के शुल्क जितने अधिक होंगे, कॉन्फ़िगरेशन में उतनी ही अधिक ऊर्जा होगी। विपरीत तब होता है जब विभिन्न संकेतों का भार आता है; जैसे ही वे एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं, वे जितने करीब होंगे, उतनी ही कम ऊर्जा उनके पास होगी।

परमाणु संभावित ऊर्जा

हीलियम परमाणु का अनुमानित प्रतिनिधित्व। नाभिक में प्रोटॉन लाल रंग में और न्यूट्रॉन नीले रंग में दर्शाए जाते हैं।

परमाणु नाभिक प्रोटॉन और न्यूट्रॉन से बना होता है, जिसे मूल रूप से नाभिक कहा जाता है। पूर्व में एक सकारात्मक विद्युत आवेश होता है और बाद वाला तटस्थ होता है।

चूंकि वे कल्पना से परे एक छोटे से स्थान में एकत्र हो जाते हैं, और यह जानते हुए कि एक ही संकेत के आरोप एक दूसरे को दोहराते हैं, एक आश्चर्य होता है कि परमाणु नाभिक कैसे एकजुट रहता है।

उत्तर इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के अलावा अन्य बलों में निहित है, नाभिक की विशेषता, जैसे कि मजबूत परमाणु बातचीत और कमजोर परमाणु संपर्क। ये बहुत मजबूत ताकतें हैं, इलेक्ट्रोस्टैटिक बल से अधिक दूर हैं।

रासायनिक संभावित ऊर्जा

विभिन्न प्रकार के रासायनिक बंधों के अनुसार, संभावित ऊर्जा का यह रूप पदार्थों के परमाणुओं और अणुओं को व्यवस्थित करने से आता है।

जब रासायनिक प्रतिक्रिया होती है, तो इस ऊर्जा को अन्य प्रकारों में परिवर्तित किया जा सकता है, उदाहरण के लिए सेल या इलेक्ट्रिक बैटरी के माध्यम से।

संभावित ऊर्जा के उदाहरण

दैनिक जीवन में कई तरह से संभावित ऊर्जा मौजूद है। इसके प्रभावों का अवलोकन करना उतना ही आसान है जितना किसी वस्तु को एक निश्चित ऊंचाई पर रखना और यह निश्चित होना कि वह किसी भी समय लुढ़क या गिर सकती है।

यहाँ पहले से वर्णित संभावित ऊर्जा के प्रकारों की कुछ अभिव्यक्तियाँ हैं:

-रोलर कोस्टर

-कार या गोले लुढ़कते हुए

-धनुष और बाण

-इलेक्ट्रिकल बैटरी

-एक पेंडुलम घड़ी

जब छोरों में से एक को गति में डाल दिया जाता है, तो आंदोलन दूसरों को प्रेषित किया जाता है। स्रोत: पिक्साबे

-सुझते हुए झूले पर

एक ट्रम्पोलिन पर कूदो

-एक वापस लेने योग्य कलम का उपयोग करें।

देखें: संभावित ऊर्जा के उदाहरण

संभावित ऊर्जा की गणना

संभावित ऊर्जा बल द्वारा किए गए कार्य पर निर्भर करती है और यह बदले में प्रक्षेपवक्र पर निर्भर नहीं करती है, इसलिए यह कहा जा सकता है कि:

-अगर ए और बी दो अंक, डब्ल्यू काम कर रहे हैं _{अटल बिहारी} एक से बी करने के लिए जाने के लिए आवश्यक बी से ए को इसलिए जाना आवश्यक कार्य के बराबर है: डब्ल्यू _एबी = डब्ल्यू _बीए, तो:

-और अगर दो अलग-अलग प्रक्षेपवक्र 1 और 2 को उक्त बिंदु A और B में शामिल करने की कोशिश की जाती है, तो दोनों मामलों में किया गया कार्य भी समान है:

डब्ल्यू ₁ = डब्ल्यू ₂ ।

या तो मामले में वस्तु संभावित ऊर्जा में बदलाव का अनुभव करती है:

ठीक है, वस्तु की संभावित ऊर्जा को (रूढ़िवादी) बल द्वारा किए गए कार्य के नकारात्मक के रूप में परिभाषित किया गया है:

लेकिन चूंकि कार्य इस अभिन्न द्वारा परिभाषित किया गया है:

:

ध्यान दें कि संभावित ऊर्जा की इकाइयां काम के समान हैं। एसआई इंटरनेशनल सिस्टम में यूनिट जूल है, जो J संक्षिप्त है और अंग्रेजी भौतिक विज्ञानी जेम्स जूल (1818-1889) द्वारा 1 न्यूटन x मीटर के बराबर है।

ऊर्जा के लिए अन्य इकाइयों में सीजीएस एर्ग, पाउंड-बल एक्स फुट, बीटीयू (ब्रिटिश थर्मल यूनिट), कैलोरी और किलोवाट-घंटे शामिल हैं।

आइए नीचे कुछ विशेष मामलों को देखें कि कैसे संभावित ऊर्जा की गणना की जाए।

गुरुत्वाकर्षण संभावित ऊर्जा की गणना

पृथ्वी की सतह के आसपास के क्षेत्र में, गुरुत्वाकर्षण का बल लंबवत नीचे की ओर इंगित करता है और इसका परिमाण समीकरण भार = द्रव्यमान x गुरुत्वाकर्षण द्वारा दिया जाता है।

अक्षर "y" के साथ ऊर्ध्वाधर अक्ष को नकारना और इस दिशा को इकाई वेक्टर जे, पॉजिटिव अप और नेगेटिव डाउन, जब एक बॉडी y = y _A से y = और _B तक ले जाती है, तो संभावित ऊर्जा में परिवर्तन को दिशा देता है।:

लोचदार संभावित ऊर्जा की गणना

हुक का नियम हमें बताता है कि बल विरूपण के लिए आनुपातिक है:

यहाँ x तनाव है और k वसंत का एक eigen स्थिरांक है, यह दर्शाता है कि यह कितना कठोर है। इस अभिव्यक्ति के माध्यम से लोचदार संभावित ऊर्जा की गणना की जाती है, यह ध्यान में रखते हुए कि मैं क्षैतिज दिशा में इकाई वेक्टर है:

इलेक्ट्रोस्टैटिक संभावित ऊर्जा की गणना

जब आपके पास एक बिंदु विद्युत आवेश Q होता है, तो यह एक विद्युत क्षेत्र का निर्माण करता है जो दूसरे बिंदु आवेश q को मानता है, और जो इस पर कार्य करता है जब इसे एक स्थिति से दूसरे स्थान के मध्य में ले जाया जाता है। दो बिंदु आवेशों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक बल की एक रेडियल दिशा होती है, जिसे इकाई वेक्टर r द्वारा दर्शाया गया है:

उदाहरण के लिए चित्र 1. स्रोत: F. Zapata।

उपाय

जब ब्लॉक मंजिल के संबंध में ऊंचाई एच _{ए पर} होता है, तो इसकी ऊंचाई के कारण गुरुत्वाकर्षण क्षमता होती है। जब जारी किया जाता है, तो यह संभावित ऊर्जा धीरे-धीरे गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है, और जैसे ही यह चिकनी घुमावदार रैंप से नीचे आती है, इसकी गति बढ़ जाती है।

A से B तक के पथ के दौरान समान रूप से विभिन्न आयताकार गति के समीकरणों को लागू नहीं किया जा सकता है। यद्यपि गुरुत्वाकर्षण ब्लॉक के आंदोलन के लिए जिम्मेदार है, लेकिन यह जो आंदोलन का अनुभव करता है वह अधिक जटिल है, क्योंकि प्रक्षेपवक्र आयताकार नहीं है।

पथ एबी में ऊर्जा का संरक्षण

हालांकि, चूंकि गुरुत्वाकर्षण एक रूढ़िवादी शक्ति है और रैंप पर कोई घर्षण नहीं है, आप रैंप के अंत में गति खोजने के लिए यांत्रिक ऊर्जा के संरक्षण का उपयोग कर सकते हैं:

यह देखते हुए कि प्रत्येक शब्द में द्रव्यमान दिखाई देता है, अभिव्यक्ति सरल है। यह बाकी v _A = 0. से जारी किया गया है और h _B जमीनी स्तर पर है, H _B = 0. इन सरलीकरणों के साथ, अभिव्यक्ति इस प्रकार घट जाती है:

सेक्शन बीसी में रगड़कर किया गया काम

अब ब्लॉक इस गति के साथ किसी न किसी खंड में अपनी यात्रा शुरू करता है और अंत में बिंदु C. पर रुक जाता है। इसलिए v _C = 0. यांत्रिक ऊर्जा का संरक्षण नहीं किया जाता है, क्योंकि घर्षण एक विघटनकारी शक्ति है, जिसने a बना दिया है द्वारा दिए गए ब्लॉक पर काम करें:

इस काम का एक नकारात्मक संकेत है, चूंकि गतिज घर्षण ऑब्जेक्ट को धीमा कर देता है, इसके आंदोलन का विरोध करता है। गतिज घर्षण f _k की परिमाण है:

जहाँ N, सामान्य बल का परिमाण है। ब्लॉक पर सतह द्वारा सामान्य बल लगाया जाता है, और चूंकि सतह पूरी तरह से क्षैतिज है, इसलिए यह वजन P = mg को संतुलित करता है, इसलिए सामान्य की परिमाण है:

जिससे होता है:

ब्लॉक पर f _k करता है वह कार्य है: W _k = - f _k.D = - μ _k.mg.D।

यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन की गणना

यह कार्य यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तन के बराबर है, इसकी गणना इस प्रकार की जाती है:

इस समीकरण में कुछ ऐसे शब्द हैं जो गायब हो जाते हैं: K _C = 0, चूंकि ब्लॉक C और U _C = U _B पर रुक जाता है, इसलिए ये बिंदु जमीनी स्तर पर होते हैं। सरलीकरण परिणाम:

द्रव्यमान फिर से रद्द हो जाता है और डी निम्नानुसार प्राप्त किया जा सकता है:

संदर्भ

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