Физика на потенциалната енергия

Потенциална енергия, съхранена енергия, която зависи от относителното положение на различни части на системата. Една пружина има повече потенциална енергия, когато се компресира или разтяга. Стоманената топка има повече потенциална енергия, издигната над земята, отколкото има след падането на Земята. В повдигнато положение е способен да свърши повече работа. Потенциалната енергия е свойство на система, а не на отделно тяло или частица; системата, съставена от Земята и вдигнатата топка, например, има повече потенциална енергия, тъй като двете са по-далеч разделени.

Потенциалната енергия възниква в системи с части, които упражняват сили една върху друга с величина, зависима от конфигурацията или относителното положение на частите. В случая на земната топка, силата на гравитацията между двете зависи само от разстоянието, което ги разделя. Работата, извършена по отделянето им по-далеч или вдигането на топката, прехвърля допълнителна енергия в системата, където тя се съхранява като гравитационна потенциална енергия.

Потенциалната енергия включва и други форми. Енергията, съхранявана между плочите на зареден кондензатор, е електрическа потенциална енергия. Това, което обикновено е известно като химическа енергия, способността на дадено вещество да работи или да отделя топлина чрез промяна на състава, може да се разглежда като потенциална енергия, произтичаща от взаимните сили между неговите молекули и атоми. Ядрената енергия също е форма на потенциална енергия.

Потенциалната енергия на система от частици зависи само от първоначалната и крайната им конфигурация; тя е независима от пътя, който частиците изминават. В случай на стоманената топка и Земята, ако първоначалното положение на топката е нивото на земята, а крайното положение е 10 фута над земята, потенциалната енергия е една и съща, без значение как или по какъв маршрут топката е била вдигната. Стойността на потенциалната енергия е произволна и относителна към избора на референтна точка. В случая, даден по-горе, системата ще има два пъти повече потенциална енергия, ако първоначалната позиция беше дъното на дупчица с дълбочина 10 фута.

Гравитационната потенциална енергия в близост до земната повърхност може да бъде изчислена чрез умножаване на теглото на обект по разстоянието му над референтната точка. В свързани системи като атоми, в които електроните се задържат от електрическата сила на привличане към ядра, нулевата референция за потенциална енергия е разстояние от ядрото, толкова голямо, че електрическата сила не може да се открие. В този случай свързаните електрони имат отрицателна потенциална енергия, а тези много далеч имат нулева потенциална енергия.

Потенциалната енергия може да бъде преобразувана в енергия на движение, наречена кинетична енергия и от своя страна в други форми като електрическа енергия. По този начин водата зад язовир тече към по-ниски нива чрез турбини, които превръщат електрически генератори, произвеждайки електрическа енергия плюс някаква неизползваема топлинна енергия в резултат на турбуленция и триене.

В исторически план потенциалната енергия е била включена с кинетична енергия като форма на механична енергия, така че общата енергия в гравитационните системи може да бъде изчислена като константа.