Gravitationell potentiell energi förvärvas av ett föremål när det har flyttats mot ett gravitationsfält. Till exempel kommer ett föremål som lyfts upp över jordens yta att få energi, som frigörs om föremålet tillåts falla tillbaka till marken. För att ett föremål ska kunna lyftas vertikalt uppåt måste man arbeta mot tyngdkraftens nedåtgående dragning. Detta arbete lagras sedan som gravitationell potentiell energi. När föremålet släpps och faller mot jorden omvandlas potentialen till kinetisk energi, eller rörelse.
En pendel är ett bra exempel på sambandet mellan gravitationspotential och kinetisk energi. På sin högsta punkt har pendeln bara potentiell energi. När den sjunker, omvandlas denna till kinetisk energi, och når ett maximum vid sin lägsta punkt, där den inte har någon potentiell energi. När den svänger upp igen omvandlas kinetiken till potentiell energi.
Mängden potentiell energi som ett föremål besitter beror på föremålets massa eller vikt, dess höjd över ytan och styrkan hos gravitationsfältet. Om de andra faktorerna är desamma, kommer ett tungt föremål att ha mer gravitationell potentiell energi än ett lättare föremål. Ett föremål 1 km upp på himlen kommer att ha mer energi än samma föremål 1.6 fot (1 cm) från ytan. På månen, som har ett svagare gravitationsfält än jorden, kommer ett objekt att ha mindre potentiell energi än samma objekt på en liknande höjd över jorden.
Beräkna gravitationspotentialenergi
Den potentiella energin hos ett föremål kan beräknas som föremålets massa, multiplicerad med gravitationskraften, multiplicerad med föremålets höjd över en given punkt. Den punkten kan vara jordens yta eller det kan vara golvet i ett rum. Faktum är att potentialen kan beräknas för vilken punkt som helst under objektet.
Gravitationskraften uttrycks vanligtvis som den acceleration som ett föremål får falla fritt, utan hänsyn till effekterna av luftmotstånd eller friktion. Även om styrkan hos gravitationsfältet vid jordens yta varierar från plats till plats, är variationerna så små att de nästan är försumbara. Inom fysiken anses därför accelerationen på grund av gravitation nära jordens yta vanligtvis vara en konstant, med ett värde på cirka 32 fot (9.8 meter) per sekund per sekund (fot/s2 eller m/s2). En enkel potentiell energiformel för ett föremål som lyfts upp från jordens yta skulle därför kunna anges på följande sätt:
potentiell energi = föremålets massa i pund × 32 × föremålets höjd i fot eller potentiell energi = föremålets massa i kilogram × 9.8 × föremålets höjd i meter
Denna formel fungerar bra för objekt nära jordens yta. Den kan enkelt anpassas för att klara liknande scenarier i andra gravitationsfält, till exempel på månen eller på Mars, genom att ändra värdet på gravitationskraften i enlighet därmed. Eftersom styrkan hos ett gravitationsfält minskar med avståndet från dess källa, kommer denna formel dock endast att fungera för objekt relativt nära ytan av en gravitationskälla, där minskningen av gravitationskraften är för liten för att vara viktig. För föremål som ligger relativt långt från en yta måste vikten av tyngdkraftskällan och avståndet från dess centrum till föremålet beaktas.
du använder
Förmodligen är den viktigaste användningen för gravitationell potentiell energi i vattenkraft. Här utnyttjas den potentiella energin från vatten i en sjö eller reservoar högt ovanför ett kraftverk för att generera el. Vatten tillåts sjunka ner från reservoaren och omvandla potential till kinetisk energi, och vattnets rörelse driver en turbin som genererar en elektrisk ström. Under perioder med låg efterfrågan kan kraftverket ha ett överskott av el, som kan användas för att pumpa tillbaka vatten till reservoaren och bygga upp mer potentiell energi.
En annan tillämpning är motvikter, som används i ett antal mekaniska anordningar. Till exempel använder vissa typer av hissar en motvikt på ett sådant sätt att den sjunker när hisskorgen går upp och vice versa. När bilen går upp, omvandlas motviktens potentiella energi till kinetisk energi när den går ner, så att den hjälper till att dra upp bilen, vilket minskar mängden arbete som måste utföras av motorn som driver enheten. När hisskorgen går ner – hjälpt av gravitationen – dras motvikten uppåt och får potentiell energi.