L’energia potenziale gravitazionale viene acquisita da un oggetto quando è stato spostato contro un campo gravitazionale. Ad esempio, un oggetto sollevato sopra la superficie della Terra guadagnerà energia, che viene rilasciata se l’oggetto può ricadere a terra. Affinché un oggetto possa essere sollevato verticalmente verso l’alto, è necessario lavorare contro la forza di gravità verso il basso. Questo lavoro viene quindi immagazzinato come energia potenziale gravitazionale. Quando l’oggetto viene rilasciato e cade verso la Terra, il potenziale viene convertito in energia cinetica, o movimento.
Un pendolo è un buon esempio della relazione tra potenziale gravitazionale ed energia cinetica. Nel suo punto più alto, il pendolo ha solo energia potenziale. Man mano che scende, questa viene convertita in energia cinetica, raggiungendo un massimo nel punto più basso, dove non ha energia potenziale. Mentre oscilla di nuovo, la cinetica viene convertita in energia potenziale.
La quantità di energia potenziale che un oggetto possiede dipende dalla massa o dal peso dell’oggetto, dalla sua altezza sopra la superficie e dalla forza del campo gravitazionale. Se gli altri fattori sono gli stessi, un oggetto pesante avrà più energia potenziale gravitazionale di un oggetto più leggero. Un oggetto a 1 miglio (1.6 km) nel cielo avrà più energia dello stesso oggetto a 1 piede (30.48 cm) dalla superficie. Sulla Luna, che ha un campo di gravità più debole della Terra, un oggetto avrà meno energia potenziale rispetto allo stesso oggetto a un’altezza simile sopra la Terra.
Calcolo dell’energia potenziale gravitazionale
L’energia potenziale di un oggetto può essere calcolata come la massa dell’oggetto, moltiplicata per la forza gravitazionale, moltiplicata per l’altezza dell’oggetto sopra un dato punto. Quel punto potrebbe essere la superficie della Terra o potrebbe essere il pavimento di una stanza. In effetti, il potenziale può essere calcolato per qualsiasi punto al di sotto dell’oggetto.
La forza gravitazionale è solitamente espressa come l’accelerazione sperimentata da un oggetto lasciato cadere liberamente, ignorando gli effetti della resistenza dell’aria o dell’attrito. Sebbene l’intensità del campo gravitazionale sulla superficie terrestre vari da luogo a luogo, le variazioni sono così piccole da essere quasi trascurabili. In fisica, quindi, l’accelerazione di gravità vicino alla superficie della Terra è generalmente considerata una costante, con un valore di circa 32 piedi (9.8 metri) al secondo al secondo (piedi/s2 o m/s2). Una semplice formula di energia potenziale per un oggetto sollevato dalla superficie della terra potrebbe quindi essere formulata come segue:
energia potenziale = massa dell’oggetto in libbre × 32 × altezza dell’oggetto in piedi o energia potenziale = massa dell’oggetto in chilogrammi × 9.8 × altezza dell’oggetto in metri
Questa formula funziona bene per oggetti vicini alla superficie terrestre. Può essere facilmente adattato per far fronte a scenari simili in altri campi gravitazionali, ad esempio sulla Luna o su Marte, modificando di conseguenza il valore della forza gravitazionale. Poiché la forza di qualsiasi campo gravitazionale diminuisce con la distanza dalla sua sorgente, tuttavia, questa formula funzionerà solo per oggetti relativamente vicini alla superficie di una sorgente di gravità, dove la riduzione della forza gravitazionale è troppo piccola per essere importante. Per oggetti relativamente distanti da una superficie, si deve tener conto della massa della sorgente di gravità e della distanza dal suo centro all’oggetto.
si utilizza
Probabilmente l’uso più importante dell’energia potenziale gravitazionale è nell’energia idroelettrica. Qui, l’energia potenziale dell’acqua in un lago o bacino idrico situato in alto sopra una centrale elettrica viene sfruttata per generare elettricità. L’acqua può scendere dal serbatoio, convertendo il potenziale in energia cinetica, e il movimento dell’acqua aziona una turbina, che genera una corrente elettrica. Durante i periodi di bassa domanda, la centrale elettrica può avere un eccesso di elettricità, che può essere utilizzata per pompare l’acqua nel serbatoio, accumulando più energia potenziale.
Un’altra applicazione è nei contrappesi, utilizzati in numerosi dispositivi meccanici. Ad esempio, alcuni tipi di ascensore impiegano un contrappeso in modo tale che scenda quando la cabina dell’ascensore sale e viceversa. Quando l’auto sale, l’energia potenziale del contrappeso viene convertita in energia cinetica mentre scende, in modo che aiuti a sollevare l’auto, riducendo la quantità di lavoro che deve essere svolto dal motore che aziona il dispositivo. Mentre la cabina dell’ascensore scende, aiutata dalla gravità, il contrappeso viene sollevato, guadagnando energia potenziale.