Potentiel energi (beliggenhedsenergi)

Grundbeskrivelse

Jo højere en container løftes over jordoverfladen, jo større potentiel energi får den.  (Garitzko, Wikimedia Commons)

Potentiel energi er en energiform, som et legeme kan have i kraft af sin position. Et legeme har potentiel energi, hvis det befinder sig i en højde, h, over jordens overflade. Den potentielle energi af et legeme er bestemt som produktet af legemets masse, m, legemets højde over jordoverfladen, h, og tyngdeaccelerationen \(g = 9.82 \frac{\text{m}}{\text{s}^2}\).
\[E = m \cdot h \cdot g \]
Jo højere et legeme befinder sig over jordoverfladen, des større bliver legemets potentielle energi. En 10 tons tung container, der løftes op i 50 meters højde af en kran, opnår dobbelt så stor potentiel energi, som en 10 tons tung container, der befinder sig i 25 meters højde. Den potentielle energi af et legeme bliver også større, jo større massen af legemet er. En 20 tons tung container, der befinder sig i 50 meters højde, har dobbelt så stor potentiel energi, som den 10 tons tunge container i samme højde.

Uddybende beskrivelse

Det kræver energi at løfte et legeme opad, og den energi lagres i legemet i form af potentiel energi. Legemet har denne potentielle energi, så længe det befnder sig i samme højde over jorden. Den potentielle energi kan frigives, hvis legemet slippes, så det falder mod jorden. Når legemet falder, aftager legemets højde over jorden, h, og dermed bliver den potentielle energi mindre. Den potentielle energi omdannes i stedet til kinetisk energi (bevægelsesenergi), idet legemet bevæger sig hurtigere og hurtigere mod jorden. I det øjeblik, legemet rammer jorden, er der ikke længere nogen potentiel energi, da højden over jorden nu er nul. Al den potentielle energi er blevet til kinetisk energi. Der er hverken forsvundet eller opstået energi, energien har blot skiftet form fra potentiel energi til kinetisk energi. Den samlede energi af systemet er altså bevaret.

Potentiel energi er også til stede i andre situationer, end når et legeme befinder sig i en højde over jordoverfladen. Potentiel energi kan også lagres i en fjeder eller en elastik. Det kaldes elastisk potentiel energi. Det kræver energi at spænde en bue, og den energi lagres i buestrengen som elastisk potentiel energi. På samme måde lagres energi i en fjeder, hvis den strækkes eller sammenpresses. I disse tilfælde omsættes den potentielle også til kinetisk energi, når legemerne slippes. Størrelsen af den elastiske potentielle energi afhænger af, hvor kraftig fjederen er, og hvor meget den er strakt eller presset sammen.

Fjederens styrke angives i form af en såkaldt fjederkonstant, k. Hvor meget fjederen er strakt eller sammenpresset, beskrives med parameteren x. Den angiver, hvor meget længere eller kortere fjederen er blevet, fordi den er blevet strakt eller sammenpresset. Når fjederen hverken er strakt eller sammenpresset, er x altså nul. Den elastisk potentielle energi, E, er bestemt som en halv gange fjederkonstanten, k, gange kvadratet på x.

\[ E = \frac{1}{2} \cdot k \cdot x^2 \]

Jo kraftigere fjederen er, og jo mere den er strakt eller sammenpresset, des større bliver den elastisk potentielle energi.

Hoover Dam. (US Bureau of Reclamation, Wikimedia Commons)

Et legeme, som bevæger sig nedad, frigiver som nævnt potentiel energi, der omdannes til kinetisk energi. Dette kan bl.a. udnyttes til at producere elektricitet i et vandkraftværk.

Vand i en flod eller en sø kan holdes tilbage af en dæmning, så vandstanden bliver højere på den inddæmmede side. Vandet bliver derved hævet over jordoverfladen og opnår potentiel energi. Når man slipper vandet løs, omdannes den potentielle energi til kinetisk energi, og vandet strømmer nedad. Vandet ledes igennem turbiner, der gør det muligt at omsætte vandets kinetiske energi til elektrisk energi. Det er dermed også muligt at opbevare energi i form af potentiel energi, idet man kan holde vandet tilbage, indtil man har brug for at producere mere elektricitet.

Cecilia Mortensen Kobæk