Potansiyel Enerji Nedir? Tanımı ve Örnek Soru Çözümleri

Potansiyel enerji nedir: Dilimizdeki potansiyel kelimesinin kökeni Fransızca “Potentiel” kelimesinden gelmektedir. Potansiyel kelimesi; gizli kalmış, henüz varlığı ortaya çıkmamış durumlar için kullanılan bir sıfattır.

Potansiyel Enerji Nedir?

Potansiyel enerji nedir: Cisimlerin bir alanda bulundukları fiziksel durumlardan dolayı depoladığı kabul edilen enerjidir. Bir cismi yerden daha yüksek bir noktaya kaldırdığımız zaman yerçekimine karşı bir iş yapar.

Yapılan bu iş cisimde enerji olarak depolanır. Böylece cismin iş yapabilecek duruma gelmesine sebep olur. Havadaki bulutların, masa üstündeki vazonun, uçan kuşların yere göre potansiyel enerjileri vardır.

Potansiyel Enerji Birimi

Enerjinin birimi Joule’dur. Bundan dolayı potansiyel enerji ve tüm enerji çeşitlerinin birimi Joule’dur. Potansiyel enerjinin simgesi “Ep” veya “U” diye gösterilir.

Yerçekimi Potansiyel Enerjisi

Kütle çekim veya yer çekimi potansiyel enerjisi bir cismin:

• Bir gezegenin cisme uyguladığı kütle çekim kuvvetinden (yani cismin ağırlığından)
• Gezegenin yüzeyinden yüksekliğinden dolayı sahip olduğu enerjidir.

Potansiyel Enerji Nasıl Hesaplanır?

Potansiyel enerji cismin durumuna yani; kütlesine, yerden yüksekliğine ve bulunduğu ortamın çekim ivmesine bağlıdır. Yapabilecekleri iş, kütlelerin, yerçekimi ivmesi ve bulundukları yüksekliğin çarpımıyla verilir.

Çekim ivmesinin g olduğu bir ortamda;

yerden h kadar yüksekte olan m kütleli bir cismin yerçekimi potansiyel enerjisi:

Potansiyel Enerji Formülü

Potansiyel Enerji (Ep, Joule) = m x g x h

(m, kilogram) kütleyi, (g, Newton/kilogram) yer çekimi ivmesini göstermektedir ve değeri sabittir. (h, metre) yerden yüksekliği gösterir.

Yüksekten bir cisim serbest bırakıldığında yer çekim kuvveti bir iş yapar. Yapılan işin büyüklüğü cismin sahip olduğu potansiyel enerji ile doğru orantılıdır. Ağırlığı m x g olan bir cismin yere göre yerden h kadar yükseklikte sahip olduğu potansiyel enerji;

Ep = m x g x h ifade edilir.

Potansiyel enerji birimi SI birim sisteminde joule olarak gösterilir.

Joule = Newton x Metre J = N x m

Potansiyel enerji hesaplanırken bir referans noktası gereklidir. Örnek; şekildeki cismin masaya göre ve zemine göre potansiyel enerjileri farklıdır.

Masaya göre potansiyel enerji Eg₁= m x g x h₁

Zemine göre potansiyel enerji Eg₂= m x g x h₂

Hacimleri küçük olan cisimlerin potansiyel enerjileri hesaplanırken;

• Cisimler boyutsuz kütleler gibi ele alınır.

Boyutları belirgin olan büyük cisimlerin potansiyel enerjilerini hesaplarken

• Cisim kütle merkezinde yoğunlaşmış gibi düşünülür.

Zemine göre potansiyel enerji hesaplanırken “h” yüksekliği zeminden kütle merkezine kadar olan uzaklık olarak alınır. Şekildeki cismin kütle merkezi tam ortadaki O noktasıdır.

Ağırlığı mg olan cismin;

1. konumdaki potansiyel enerjisi: E_g1= m.g.h₁ 
2. konumdaki potansiyel enerjisi: E_g2= m.g.h₂ olarak yazılır.

Soru: Arabanın farklı yüksekliklerde sahip olduğu potansiyel enerjiyi hesaplayalım;

Çözüm: Aracın 2 metre yüksekliğindeki potansiyel enerjisi;

Ep₁ = m x g x h, Ep₁=1100 x 9,8 x 2, Ep₁=21560 jouledir.

4 metre yükseklikte arabanın potansiyel enerjisi ise Ep₂= m x g x h

Ep₂=1100.9,8.4 Ep₂ = 43120 joule dir.

Yapılan işlemde görüldüğü gibi cisim ne kadar yüksekte yer alırsa potansiyel enerji de o kadar artmaktadır.

Yerçekime Karşı İş Nasıl Yapılır?

İş yapabilmek için enerjiye sahip olmak gerekir. Yani, her enerji bir işin olmasına nedendir. Yerçekimine karşı yapılan iş, cisme kazandırılan potansiyel enerjiye eşittir. Potansiyel enerji ile bir yerçekimine karşı, yüksek bir yerden alçak bir yere doğru bir iş gerçekleştirilir.

Yerçekimi potansiyel enerji formülü:

W yer çekimi = Ep değişimi

 (Son haldeki potansiyel enerjisi – İlk haldeki potansiyel enerjisi)

Potansiyel Enerji Çeşitleri

• Esneklik potansiyel enerji

Esneklik potansiyel enerji nedir; esnek cisimlerin (örn. yay) sahip olduğu enerjidir. Cismin kazandığı enerjiye ise esneklik potansiyel enerjisi denir. Bir yay sıkıştırıldığında potansiyel enerji depolar ve serbest bırakıldığında bu enerjiyi kinetik enerjiye dönüştürür.

Enerji, kuvvet kaldırılana ve nesne ilk şekline geri dönene kadar depolanır. Bu süreç içinde iş yapar. Şekil değişimi nesneyi sıkıştırma, germe veya bükme şeklinde gerçekleşebilir.  

Örnek;

• Yüzücü suya atlamadan hemen önceki anda atlama tahtası
• Bir oyuncak helikoptere güç sağlayan bükülmüş lastik bant
• Tuğla bir duvardan sektiği anda sıkışan, sıçrayan bir top.
• Kurmalı bir saatin zembereği
• Bir okçunun gerilmiş yayı

Sıkıştırılmış veya gerilmiş bir yayda, kurulmuş bir saat zembereğinde depo edilen enerjiler bu türdendir.

Esneklik potansiyel enerji formülü:

Bir yaydaki uzama yada sıkışma miktarı

F = k . x formülü ile bulunabilir.

Esneklik potansiyel enerjisini saklamak üzere tasarlanan nesneler yüksek bir elastik limite sahiptir. Bununla birlikte tüm esnek nesnelerin kaldırabileceği yükün bir sınırı vardır. Bu elastik limitin gerisinde bir şekil değişikliği olduğu zaman, nesne ilk durumuna geri dönemez.

• Çekim Potansiyel Enerjisi

Yer Çekimi Gücü Uyduları Güneş Sistemi yörüngesinde tutar.

Bir cismin, başka bir cismin kütle çekimi etkisinde kaldığında kazandığı potansiyel enerjidir. (Büyük kütleli cisimler, örn.Dünya, Güneş) Bu enerji, cismin kütlesiyle ve çekici kütlenin büyüklüğüyle doğru orantılıdır. Çekici kütlenin büyüklüğü yerçekimi ivmesini meydana getirir. Bu ivme Dünya için yaklaşık 9,8 m/s²’ dir.

Yerçekimi potansiyel enerjisi, hidroelektrik santrali kullanılarak elektrik enerjisine çevrilir.

• Elektriksel Potansiyel Enerji

Yüklü parçacığın potansiyel enerjisi veya elektrostatik potansiyel enerji olarak da adlandırılır.

Bir “q” Elektriksel yükünün Elektriksel alan içindeki konumuna bağlı olarak depoladığı bir potansiyel enerji çeşididir. Bu Elektriksel potansiyel enerjinin kinetik enerjiye dönüşebilme potansiyeli vardır.

“q” yüküne sahip bir parçacığın, “V “elektrik potansiyeli içindeki elektriksel potansiyel enerjisi, “q x V“ çarpımına eşittir. Aynı ifade, parçacığın “V“ potansiyeli içerisindeki hareketinden doğan dönüşümü de açıklar.

Geçerli olan SI birimi jouledur.

“U“: (bazı kaynaklarda “EP” gösterilir): Elektriksel potansiyel enerji, Joule(J) biriminde.

“Q ve q”: Elektriksel yük, Coulomb (C) biriminde.

“d“: “Q>” yüklü noktasal cisim ile “q” yüklü noktasal cisim arasındaki uzaklık, Metre(m) biriminde.

 

• Kimyasal Potansiyel Enerjisi

Atomların arasındaki kimyasal bağlardan dolayı meydana gelen enerjidir. Kimyasal bağlar tarafından depolanan enerjidir.

• Manyetik Potansiyel Enerji

Bir manyetik alanın meydana gelmesi için gerekli olan enerjinin depolanmasıdır. Depolanan enerjiye manyetik alanın potansiyel enerjisi denir.

• Nükleer Potansiyel Enerjisi

Bu enerji atom çekirdeklerinin kararsızlığı ile meydana gelen enerji çeşitidir. Yani atom çekirdekleri tarafından depolanmakta olan enerjidir.

• Isı (Termal) Potansiyel Enerjisi

Termal enerji bir sistemin içerdiği, sıcaklıktan sorumlu enerjiyi ifade eder. Isı termal enerjinin akışıdır. Aslında atom ve moleküllerin kinetik enerjisidir.

Kinetik Enerji

Kinetik enerji nedir: Hareketli cisimler iş yapabilme yeteneğine sahiptirler. Yani bu cisimlerin enerjileri vardır. Bu hareketinden dolayı cisimlerin sahip oldukları enerjiye kinetik enerji denir.

Duran cisimlerin potansiyel enerjileri vardır. Cisimler hareket hâline geçtiklerinde bu enerji kinetik enerjiye dönüşür. Yüksekte uçmakta olan bir kuş, hareket hâlindeki araba, fırlatılan bir taş, akan suyun kinetik enerjileri vardır.

Kinetik Enerjinin Birimi

Kinetik enerjinin simgesi “Ek” ve birimi “jouledir.”

Bir V hızı ile hareket eden m kütleli bir cismin kinetik enerjisi; Ek = 1/2m x V² olacaktır. m ve V² her zaman pozitif nicelikler olduğundan kinetik enerji de pozitiftir.

Kinetik enerji formülü:

• m: kütle (kilogram)
• v: hız (m/s)
• E: enerji (joule)

Potansiyel Enerji ve Kinetik Enerji 

Potansiyel enerji ve kinetik enerji arasındaki ilişki nedir: 

Yere doğru düşen bir cisim üzerine etki eden kütle – çekim kuvveti. Cisim üzerinde iş yapar. Bundan dolayı cismin kinetik enerjisi artar. Yani, cismin potansiyel enerjisi ile kinetik enerjisi arasında ters orantı vardır. Potansiyel enerji azaldıkça, kinetik enerji dönüşümü gerçekleşir. Kinetik enerji artar.

• Hareket veya eylemdeki nesnelerle ilgili enerjiye kinetik enerji denir. Potansiyel enerji, dinlenme durumunun bir sonucu olarak nesnede bulunan enerjidir.
• Kinetik enerji nesneler arasında aktarılabilir. Diğer yandan, potansiyel enerji nesneler arasında aktarılamaz.
• Kinetik enerji yerin kendisinden ölçülürken, potansiyel enerji dipten ölçülür.
• Kinetik enerji hareketli cismin ortamına göredir. Buna karşı, potansiyel enerji fiziksel bedenin ortamına bağlı değildir.
• Kinetik enerji, hız / hız veya hareket halindeki cismin kütlesi ile belirlenebilir. Potansiyel enerji kütle, yerçekimi ve nesnenin yüksekliği / mesafesi ile belirlenebilir.

Potansiyel Enerji ve Mekanik Enerji

Mekanik Enerji Nedir: Kinetik ve potansiyel enerjisinin toplamına mekanik enerji denir.

Potansiyel enerji ve mekanik enerji arasındaki ilişki nedir:

Sürtünmesiz sistemdeki bir maddenin;

Termodinamiğin 1. Yasası olan Enerjinin Korunumu Yasası’na göre sürtünmesiz bir oramda mekanik enerji korunur. Örnek, bir sistemde potansiyel enerji arttıkça, kinetik enerji azalır. Bu durumda mekanik enerji korunmuş olur.

Potansiyel Enerji ve Sürtünme

Potansiyel enerji ve sürtünme arasındaki ilişki nedir:

Sürtünme kuvveti, dünyanın var olan düzeninde devam etmesi için var edilmiş bir kuvvettir. Eğer sürtünme olmasaydı, hareket bir cismin sonsuza dek hareketi sürdürür, asla duramazdı. Potansiyel enerji, kinetik enerjiye dönüşürken ortamın sahip olduğu sürtünme kuvveti kadar bir kayba uğrar.

Yani, sürtünme kuvveti kinetik ve potansiyel enerjiyi azaltır. Bundan dolayı mekanik enerjiyi de azaltan bir kuvvettir.