什麼是勢能

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又稱位能,在機械運動中,由於質點或質點系在保守力場中相對位置變化所具有的能量。當質點處於某一空間區域中的任一位置時,都受到一個力的作用,並且此力是質點位置的有限、單值和可微矢量函數,則稱該區域爲力場,而此作用力爲場力。如質點在某一力場中繞任一閉曲線運動一週,場力所做的功爲零,即場力所做之功與所經途徑無關時,稱此場力爲保守力,稱此力場爲保守力場。在保守力場中任選一合適的位置爲零勢位置,當質點系從所在位置移動到零勢位置時,保守力所做的功稱爲此質點系在所在位置上的勢能,勢能是位置函數。勢能V同保守力

F

之間的關係是

F

=-墷VVC(常數)的曲面稱爲該保守力場的等勢面。保守力

F

同等勢面正交。勢能的量綱爲L2MT-2,它的SI單位是kg·m2·s-2,即N·m,即J。

重力勢能

質點系在重力場中的勢能。如取z軸鉛垂向上,

k

爲該方向上的單位矢量,則重力場的力是

F

=-Mg

k

,式中的M是質點系的總質量,g是重力加速度。如取z=0的水平面爲零勢位置時,則重力勢能VMgzc,式中的zc是質點系質心C在所在位置的鉛垂座標。重力場的等勢面是不同高度的水平面。

彈性勢能

在彈性力場中質點的勢能。取彈簧的一端爲矢徑原點,則剛度爲k的彈簧所產生的彈性力可表示爲

什麼是勢能
,式中r0是彈簧的原長,

r

爲質點的矢徑,r 爲矢徑的大小。如以彈簧的自然狀態爲零勢位置,則質點的彈性勢能爲
什麼是勢能 第2張
。彈性力場的等勢面是以矢徑原點爲球心的不同半徑的球面。質點系的彈性勢能爲質點系中各質點的彈性勢能之和。

萬有引力勢能

質點在萬有引力場中的勢能定義是:以引力中心爲矢徑原點,則質量爲╮) 的質點在引力場中所受的力爲

什麼是勢能 第3張
(即萬有引力),式中M爲引力中心的質量,

r

爲質點的矢徑,r爲質點同引力中心間的距離,G爲萬有引力常數,是普適常數。如以

r

=∞爲零勢位置,則萬有引力勢能
什麼是勢能 第4張
。萬有引力場的等勢面是以引力中心爲球心的不同半徑的球面。n 個質點的質點系在萬有引力場中的勢能爲所有單個質點具有的勢能之和。質量爲 m的質點在L個質量爲Mj(j=1,…,L)質點的引力作用下的勢能爲
什麼是勢能 第5張
,式中rj是質點至第j個引力中心的距離。

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