Die potentielle Gravitationsenergie wird von einem Objekt erworben, wenn es gegen ein Gravitationsfeld bewegt wurde. Beispielsweise gewinnt ein über die Erdoberfläche angehobenes Objekt Energie, die freigesetzt wird, wenn das Objekt auf den Boden zurückfallen darf. Damit ein Objekt senkrecht nach oben gehoben werden kann, muss gegen die nach unten gerichtete Schwerkraft gearbeitet werden. Diese Arbeit wird dann als potentielle Gravitationsenergie gespeichert. Wenn das Objekt losgelassen wird und in Richtung Erde fällt, wird das Potenzial in kinetische Energie oder Bewegung umgewandelt.
Ein Pendel ist ein gutes Beispiel für den Zusammenhang zwischen Gravitationspotential und kinetischer Energie. An seinem höchsten Punkt hat das Pendel nur potentielle Energie. Diese wird beim Abstieg in kinetische Energie umgewandelt und erreicht an ihrem tiefsten Punkt, wo sie keine potentielle Energie hat, ein Maximum. Beim erneuten Aufschwingen wird die Kinetik in potentielle Energie umgewandelt.
Die Menge an potentieller Energie, die ein Objekt besitzt, hängt von seiner Masse oder seinem Gewicht, seiner Höhe über der Oberfläche und der Stärke des Gravitationsfeldes ab. Wenn die anderen Faktoren gleich sind, hat ein schweres Objekt mehr potentielle Gravitationsenergie als ein leichteres Objekt. Ein Objekt in 1 Meile (1.6 km) Höhe am Himmel hat mehr Energie als das gleiche Objekt 1 Fuß (30.48 cm) von der Oberfläche entfernt. Auf dem Mond, der ein schwächeres Gravitationsfeld als die Erde hat, hat ein Objekt weniger potenzielle Energie als dasselbe Objekt in ähnlicher Höhe über der Erde.
Berechnung der potentiellen Gravitationsenergie
Die potentielle Energie eines Objekts kann als Masse des Objekts multipliziert mit der Gravitationskraft multipliziert mit der Höhe des Objekts über einem bestimmten Punkt berechnet werden. Dieser Punkt könnte die Erdoberfläche oder der Boden eines Raumes sein. Tatsächlich kann das Potenzial für jeden Punkt unterhalb des Objekts berechnet werden.
Die Gravitationskraft wird normalerweise als die Beschleunigung ausgedrückt, die ein Objekt erfährt, das frei fallen kann, ohne die Auswirkungen von Luftwiderstand oder Reibung zu berücksichtigen. Obwohl die Stärke des Gravitationsfeldes an der Erdoberfläche von Ort zu Ort variiert, sind die Schwankungen so gering, dass sie fast vernachlässigbar sind. In der Physik wird daher die Erdbeschleunigung in der Nähe der Erdoberfläche normalerweise als Konstante angesehen, mit einem Wert von ungefähr 32 Fuß (9.8 Meter) pro Sekunde pro Sekunde (Fuß/s2 oder m/s2). Eine einfache potentielle Energieformel für ein von der Erdoberfläche abgehobenes Objekt könnte daher wie folgt formuliert werden:
potentielle Energie = Masse des Objekts in Pfund × 32 × Höhe des Objekts in Fuß oder potentielle Energie = Masse des Objekts in Kilogramm × 9.8 × Höhe des Objekts in Metern
Diese Formel funktioniert gut für Objekte in der Nähe der Erdoberfläche. Es lässt sich leicht an ähnliche Szenarien in anderen Gravitationsfeldern, zum Beispiel auf dem Mond oder dem Mars, anpassen, indem man den Wert der Gravitationskraft entsprechend ändert. Da die Stärke eines Gravitationsfeldes mit der Entfernung von seiner Quelle abnimmt, funktioniert diese Formel jedoch nur für Objekte, die relativ nahe an der Oberfläche einer Gravitationsquelle liegen, bei denen die Verringerung der Gravitationskraft zu gering ist, um von Bedeutung zu sein. Bei Objekten, die relativ weit von einer Oberfläche entfernt sind, müssen die Masse der Gravitationsquelle und der Abstand von ihrem Zentrum zum Objekt berücksichtigt werden.
Verwendung
Die wahrscheinlich wichtigste Verwendung der gravitativen potentiellen Energie ist die Wasserkraft. Dabei wird die potentielle Energie des Wassers in einem hoch über einem Kraftwerk gelegenen See oder Stausee zur Stromerzeugung genutzt. Wasser wird aus dem Reservoir abgelassen, wobei das Potenzial in kinetische Energie umgewandelt wird, und die Bewegung des Wassers treibt eine Turbine an, die einen elektrischen Strom erzeugt. In Zeiten geringer Nachfrage kann das Kraftwerk einen Stromüberschuss haben, der verwendet werden kann, um Wasser zurück in den Stausee zu pumpen und so mehr potenzielle Energie aufzubauen.
Eine weitere Anwendung sind Gegengewichte, die in einer Reihe von mechanischen Geräten verwendet werden. Beispielsweise verwenden einige Aufzugstypen ein Gegengewicht derart, dass es beim Auffahren der Aufzugskabine absinkt und umgekehrt. Wenn die Kabine nach oben fährt, wird die potentielle Energie des Gegengewichts beim Absenken in kinetische Energie umgewandelt, so dass sie hilft, die Kabine nach oben zu ziehen und die Arbeit zu reduzieren, die vom Motor, der das Gerät antreibt, verrichtet werden muss. Wenn die Aufzugskabine – unterstützt durch die Schwerkraft – nach unten fährt, wird das Gegengewicht wieder nach oben gezogen und gewinnt potenzielle Energie.