یکی از کارهای علم فیزیک شناخت انواع انرژی در طبیعت است؛ از مهم ترین این انرژی ها انرژی پتانسیل است که به سامانه ای که در آن دو یا چند جسم به یکدیگر نیرو وارد می کنند مرتبط است.
کار و انرژی پتانسیل
در مقالات قبلی با ارتباط کار و انرژی جنبشی آشنا شدیم؛ اکنون می خواهیم این ارتباط را میان کار و انرژی پتانسیل بررسی کنیم.
همانطور که می دانیم مقدار انرژی پایسته است و تنها از حالتی به حالت دیگر تبدیل می شود. پس مجموع دو انرژی جنبشی و پتانسیل گرانشی برای یک جسم ثابت است. هنگامی که جسمی را به سمت بالا پرتاب می کنیم؛ تندی آن کاهش می یابد و طبیعتا انرژی جنبشی نیز کاهش پیدا می کند پس کار انجام شده بر روی جسم منفی است. اما این انرژی به کجا رفته است؟ این انرژی توسط نیروی گرانشی گرفته شده و به انرژی پتانسیل گرانشی سامانه جسم-زمین تبدیل می شود. همین جسم زمانی که به بیشینه ارتفاع خود رسید؛ متوقف می شود و شروع به حرکت به سمت زمین می کند؛ تندی افزایش می یابد و در نتیجه شاهد افزایش انرژی جنبشی و کار می باشیم. در این حرکت نیروی گرانشی انرژی پتانسیل گرانشی جسم-زمین را به انرژی جنبشی تبدیل می کند. بدین صورت تغییر انرژی پتانسیل نیز برابر با کار انجام شده روی جسم تعریف می شود اما با علامت مخالف:
پایستاری نیرو
یک نیرو در صورتی پایستار است که کار خالص انجام شده روی یک ذره از یک نقطه آغازی تا برگشت به همان نقطه صفر باشد. برای مثال در همان به بالا پرتاب کردن جسم، تندی جسم در نقطه ابتدا و هنگام عبور از کنار آن نقطه در بازگشت هم اندازه است. پس انرژی جنبشی جسم نیز در دو حالت مذکور برابر است. بدین ترتیب کار انجام شده توسط نیروی گرانشی صفر است و نیروی گرانشی یک نیروی پایستار می باشد.
انرژی پتانسیل گرانشی
با توجه به فرمول، می توان انرژی پتانسیل گرانشی و تغییرات آن را محاسبه کرد:
*تمرین حل شده)
جسمی سه کیلوگرمی از ارتفاع دو متری زمین به ارتفاع 8 متری منتقل می شود؛ تغییرات انرژِی پتانسیل گرانشی سامانه جسم-زمین را محاسبه نمایید؛ این مقدار را با مقدار تغییرات انرژی پتانسیل گرانشی در انتقال از سطح زمین به ارتفاع 6 متری مقایسه کنید.
همانطور که دیدیم هیچ تفاوتی ایجاد نشد؛ پس با در انتخاب سطح مرجع آزاد هستیم برای مثال اگر ارتفاع 2 متری را مبدا مختصاتمان در نظر بگیریم (h=0) با شش متر جابجایی نیز به همان مقدار 180 ژول می رسیم.