Потенциальная энергия в чем измеряется

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — скалярная физическая величина, характеризующая способность некого тела (или материальной точки) совершать работу за счет своего нахождения в поле действия сил. Другое определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы [1] . Термин «потенциальная энергия» был введен в XIX веке шотландским инженером и физиком Уильямом Ренкином.

Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль.

Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой конфигурации тел в пространстве, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной конфигурации называется нормировкой потенциальной энергии.

Корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тела, но не от траектории его перемещения. Такие силы называются консервативными.

Также потенциальная энергия является характеристикой взаимодействия нескольких тел или тела и поля.

Любая физическая система стремится к состоянию с наименьшей потенциальной энергией.

Потенциальная энергия упругой деформации характеризует взаимодействие между собой частей тела.

Потенциальная энергия в поле тяготения Земли

Потенциальная энергия в поле тяготения Земли вблизи поверхности приближённо выражается формулой:

где — масса тела, — ускорение свободного падения, — высота положения центра масс тела над произвольно выбранным нулевым уровнем.

О физическом смысле понятия потенциальной энергии

• Если кинетическая энергия может быть определена для одного отдельного тела, то потенциальная энергия всегда характеризует как минимум два тела или положение тела во внешнем поле.
• Кинетическая энергия характеризуется скоростью; потенциальная — взаиморасположением тел.
• Основной физический смысл имеет не само значение потенциальной энергии, а её изменение.

См. также

• Гравитационная энергия
• Кинетическая энергия
• Энергия
• Электростатический потенциал
• Гравитационный потенциал

Ссылки

1. ↑Ландау, Л. Д., Лифшиц, Е. М.Теоретическая физика. — Издание 5-е, стереотипное. — М .: Физматлит, 2004. — Т. I. Механика. — 224 с. — ISBN 5-9221-0055-6

• Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение).
• Переработать оформление в соответствии с правилами написания статей.
• Викифицировать статью.
• Добавить иллюстрации.

• Энергия
• Механика

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Потенциальная энергия» в других словарях:

• потенциальная энергия — Энергия, которой обладает объект благодаря его положению в геопотенциальном поле. Например, потенциальная энергия первоначально расслоенного столба воды увеличивается по мере того, как энергия ветра перемешивает его и выносит более соленую… … Справочник технического переводчика
• ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — энергия взаимодействия тел; является частью полной механической энергии физ. системы, зависящей от взаимного расположения её частиц и от их положения во внешнем силовом поле (напр. гравитационном); др. частью полной механической системы является… … Большая политехническая энциклопедия
• ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, вид ЭНЕРГИИ, которой обладает тело, благодаря его положению на определенной высоте в ГРАВИТАЦИОННОМ ПОЛЕ Земли. Потенциальной энергией также является энергия, запасенная в такой системе, как сжатая пружина, или в… … Научно-технический энциклопедический словарь
• ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — часть общей механич. энергии системы, зависящая от взаимного расположения материальных точек, составляющих эту систему, и от их положений во внеш. силовом поле (напр., гравитационном; (см. ПОЛЯ ФИЗИЧЕСКИЕ). Численно П. э. системы в данном её… … Физическая энциклопедия
• потенциальная энергия — ▲ энергия ↑ сила, физическое поле < > кинетическая энергия потенциальная энергия энергия, зависящая от положения во внешнем силовом поле. ↓ калорийность. взрыв. взорваться … Идеографический словарь русского языка
• ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ энергия, часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. В сумме с кинетической энергией потенциальная энергия составляет… … Современная энциклопедия
• Потенциальная энергия — ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. В сумме с кинетической энергией потенциальная энергия составляет… … Иллюстрированный энциклопедический словарь
• ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ — часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения ее частиц и от их положения во внешнем силовом (напр., гравитационном) поле … Большой Энциклопедический словарь
• потенциальная энергия — [potential energy] часть общей механической энергия системы, зависящая от взаимного расположения частиц, составляющих эту систему, и от их положения во внешнем силовом поле (например, гравитационном). Численно потенциальная энергия системы равна… … Энциклопедический словарь по металлургии
• потенциальная энергия — часть общей механической энергии системы, зависящая от взаимного расположения её частиц и от их положения во внешнем силовом (например, гравитационном) поле. * * * ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, часть общей механической энергии… … Энциклопедический словарь

• Обратная связь: Техподдержка, Реклама на сайте

• �� Путешествия

Экспорт словарей на сайты, сделанные на PHP,
WordPress, MODx.

• Пометить текст и поделитьсяИскать в этом же словареИскать синонимы
• Искать во всех словарях
• Искать в переводах
• Искать в ИнтернетеИскать в этой же категории

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – это любая энергия взаимодействия одного объекта с другим. Потенциальной ее называют потому, что это только «скрытая» энергия возможности, а не «проявленная» энергия движения. Например, если сжать пружину, она приобретает определенный потенциал, поскольку может отскочить и вернуться в исходное состояние.

Определение потенциальной энергии

Любая энергия представляет собой возможность совершения работы, в более общем смысле – движения. Например, если автомобиль едет, он получает энергию от сгорания бензина и перемещается по поверхности земли. В данном случае речь идет о кинетической энергии, то есть энергии, которой обладает движущееся тело.

Что касается потенциальной энергии, то это энергия взаимодействия между телами (лат. potentia – возможность). Речь идет не о самом движении или работе, а о возможности его совершения. То есть потенциальной называют энергию возможности тела к движению. В качестве иллюстрации можно привести несколько примеров.

Если поднять любой предмет на высоту собственного роста, его потенциальная энергия взаимодействии с Землей за счет сил гравитации увеличивается. Но если отпустить, предмет падает – соответственно, после этого потенциал становится равным нулю.

Если тело деформировано, например натянутая тетива лука, оно тоже имеет большую потенциальную энергию. Как только человек отпускает тетиву, стрела летит на большое расстояние с такой силой, что может даже убить животное. До отпускания она имела только потенциальную энергию, а после – кинетическую (энергию движения).

Огромной энергией обладают вода в водопаде до падения. Как только она начала падать, потенциальная энергия опять же превращается в кинетическую энергию движения, а в самой нижней точке она становится равной нулю.

Еще один пример из мира природы – воды рек, которые текут от истока к устью за счет силы притяжения. Они тоже обладают значительным запасом потенциальной энергии, которая используется, например, в гидроэлектростанциях (ГЭС). В данном случае потенциальная энергия стекающих вод используется для производства электричества.

Научное определение: потенциальная энергия – это скалярная (то есть не имеющая направления) физическая величина, которая является частью полной механической энергии тела либо системы наряду с кинетической энергией. Исходя из этого можно вывести простую формулу:

Здесь Е_полн – полная энергия, Е_кин – кинетическая, а Е_потенц – потенциальная.

Полезная информация о потенциальной энергии

Обозначения потенциальной энергии	Ep, W, Wp
Единица измерения	Джоуль (Дж)
Формула Ep тела в гравитационном поле Земли	Ep = m • g • h
Формула Ep заряда в электростатическом поле	Wp = q • E • d
Формула Ep деформированного тела	Ep = k • (Δx) 2 /2
Полная энергия механической системы	Еполн = Екин + Епотенц, откуда следует: Eпотенц = Еполн – Екин

Как обозначается потенциальная энергия

Потенциальную энергию обозначают по-разному:

Единица измерения

В международной системе СИ единица измерения потенциальной энергии – джоуль.

По определению один джоуль – это работа силы в один ньютон, которая переместила тело на один метр в направлении приложения этой силы.

Виды потенциальной энергии

Существует три основных вида потенциальной энергии:

• в поле гравитационного притяжения Земли;
• в электростатическом поле;
• в механической системе.

Во всех случаях речь идет об энергии взаимодействия между телами, то есть о потенциале. Например, если подбросить мяч над собой, он дойдет до определенной высоты, например 5 м, на мгновение остановится и далее снова упадет на землю. Получается, что в самой высокой точке потенциальная энергия взаимодействия мяча с планетой максимальная, а кинетическая равна нулю, потому что движения нет.

Но после падения потенциал резко падает, а кинетическая энергия, наоборот достигает максимума вплоть до столкновения с поверхностью. Затем мяч отпрыгивает на небольшую высоту, причем в верхней точке он снова приобретает потенциальную энергию взаимодействия с планетой, после чего опять падает. Потом еще несколько прыжков со все меньшей высотой – и наконец мяч останавливается. В состоянии покоя обе его энергии (кинетическая и потенциальная) равны нулю.

Есть потенциальная энергия и в электростатическом поле. Оно создается зарядами, которые неподвижны в пространстве, то есть не перемещаются. Известно, что разноименные заряды («плюс» и «минус») притягиваются. Поэтому попадая в поле друг друга, они практически мгновенно соединятся. В начале этого процесса их потенциальная энергия максимальная, но почти сразу она превращается в кинетическую и становится равной нулю.

Наконец, в механической системе потенциал – это энергия упругой деформации. Например, если сжать пружину, ее потенциальная энергия увеличится, а если отпустить ее, то потенциал превратится в движение (кинетическую энергию). В свою очередь, потенциальная станет равной нулю. В качестве примера можно привести и уже упомянутую стрелу, приложенную к натянутой тетиве лука.

это интересно

Определение мощности простыми и научными словами, а также формулы и примеры задач с подробным решением

Формулы потенциальной энергии

Есть несколько формул потенциальной энергии, которые используются в зависимости от ее конкретного вида. Так, энергия тела в поле тяготения Земли вычисляется по формуле:

\(<\mathrm E>_<\mathrm p>\;=\;\mathrm m\;\cdot\;\mathrm g\;\cdot\;\mathrm h\)

Здесь m – масса тела, g – ускорение свободного падения (постоянная величина, примерно равна 9,8 м/с 2 ), h – высота тела над Землей.

Рассматривая потенциальную энергию заряда в электростатическом поле, можно вывести такую формулу:

\(<\mathrm E>_<\mathrm p>\;=\;<\mathrm q>_<\mathrm p\;>\cdot\;\mathrm\varphi\;(\overline<\;\mathrm r>\;)\)

Наконец, для механической системы потенциальная энергия упругой деформации рассчитывается по такой формуле:

\(<\mathrm E>_<\mathrm p>\;=\;\mathrm k\;\cdot\;\frac<<(\mathrm<Δx>)>^2>2\)

Здесь k – коэффициент жесткости тела, Δx – степень деформации: Δx = x₁ – x₂, где x₂ – начальное состояние тела (до деформации), x₂ – конечное состояние (после деформации).

Задачи на потенциальную энергию с решением

Есть разные примеры задач на потенциальную энергию, все они связаны с представленными выше формулами.

Задача 1

Определить потенциальную энергию мяча массой 0,5 кг, который подбросили на высоту 4 м.

В данном случае мяч находится в гравитационном поле Земли, поэтому его потенциальную энергию можно найти по формуле:

Масса составляет 0,5 кг, h = 4 м, а g = 9,8 м/с 2 , поэтому

E_p = 0,5 • 4 • 9,8 = 19,6 Дж.

Ответ: Потенциальная энергия мяча равна 19,6 Дж.

Задача 2

Пружина прикреплена к стене, на ее конце установлено тело. Жесткость пружины 400 Н/м, ее растягивают с силой 80 Н. Какова потенциальная энергия деформации этой пружины?

В данном случае найти потенциальную энергию можно по формуле:

Сила упругости определяется как произведение жесткости на изменение длины рассматриваемой пружины:

Тогда деформацию можно рассчитать как Δx = F/k. Из этого следует, что потенциальную энергию можно найти по такой формуле:

E_p = k • (F/x) 2 /2 = Kf 2 /(2k 2 ) = F 2 /(2k)

Подставляя значения, данные условиями задачи, получаем:

E_p = 80 2 /(2 • 400) = 8 Дж.

Ответ: потенциальная энергия деформации в пружине равна 8 Дж.

Задача 3

Самолет массой 50 т летит на высоте 10 км со скоростью 900 км/ч. Какова его полная механическая энергия?

Самолет находится над Землей и движется (летит). Поэтому он обладает двумя видами энергии – потенциальной и кинетической. Следовательно, полную энергию можно найти по формуле:

При этом Е_кин = mv 2 /2, а E_потенц = mgh. Переводя все числовые значения в единицы измерения в соответствии с системой СИ, получаем: масса 50 000 кг, высота 10 000 м, скорость 250 м/с. Величина g = 9,8 м/с 2 . Подставляя все значения в формулу, получаем:

Е_полн = Е_кин + Е_потенц = mv 2 /2 + mgh = 50 000 • 250 2 /2+ 50 000 • 9,8 • 10 000 = 6462500000 = 6462 • 10 6 Дж = 6462 МДж (мегаджоуль)

Ответ: Полная механическая энергия самолета составляет 6462 МДж.

4 темы по физике, которые пригодятся на контрольной

Скоро контрольная по физике? Проверьте, все ли из этих тем вам знакомы.

1. Что такое диффузия
2. О чем говорит Закон Джоуля Ленца
3. Сколько существует видов механического движения
4. Сила Архимеда и в чем она измеряется

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Юлия Крутова, учитель физики средней общеобразовательной школы №16 (Московская область, Орехово-Зуевский городской округ):

Какие есть примеры тел, которые обладают потенциальной энергией?

Потенциальной энергией обладают тела, которые подняты над поверхностью земли (футбольный мяч, который падает на траву; человек, который прыгает со стула). Также это тела, которые могут быть упруго сжаты, так как после упругого сжатия тело принимает прежнюю форму. Например, пружина в пистолете.

Еще один пример – сжатые газы (за счет уменьшения расстояния между молекулами.

Пригодятся ли формулы вычисления потенциальной энергии на ЕГЭ?

Да, так как законы сохранения энергии присутствуют практически в каждом разделе, соответственно, и в ЕГЭ могут встретиться в 75% задач.

Почему в 7 классе на физике начинают изучать потенциальную энергию?

В 7 классе на данную тему выделяется недостаточно часов, то есть тема изучается в ознакомительном порядке. Учащиеся в 7 классе должны обладать определенными базовыми знаниями, а энергия относится к этой базе. Более подробно данная тема изучается в 9 классе.

Кинетическая и потенциальная энергии

Энергия — важнейшее понятие и термин в механике. Что такое энергия, и что она значит? Существует множество определений, и вот одно из них.

Что такое энергия?

Энергия в физике — это способность тела совершать работу.

Кинетическая энергия

Что такое кинетическая энергия?

Рассмотрим тело, которое двигалось под действием каких-то сил, изменило свою скорость с v 1 → до v 2 → . В этом случае силы, действующие на тело, совершили определенную работу A .

Работа всех сил, действующих на тело, равна работе равнодействующей силы.

F р → = F 1 → + F 2 →

A = F 1 · s · cos α 1 + F 2 · s · cos α 2 = F р cos α .

Как находить связь между изменением скорости тела и работой, совершенной действующими на тело силами. Для простоты будем считать, что на тело действует одна сила F → , направленная вдоль прямой линии. Под действием этой силы тело движется равноускоренно и прямолинейно. В этом случае векторы F → , v → , a → , s → совпадают по направлению и их можно рассматривать как алгебраические величины.

Работа силы F → равна A = F s . Перемещение тела выражается формулой s = v 2 2 — v 1 2 2 a . Отсюда:

A = F s = F · v 2 2 — v 1 2 2 a = m a · v 2 2 — v 1 2 2 a

A = m v 2 2 — m v 1 2 2 = m v 2 2 2 — m v 1 2 2 .

Если вычислять, то работа, совершенная силой, пропорционально изменению квадрата скорости тела.

Примеры консервативных сил: сила тяжести, сила упругости.

Когда тело движется вертикально вверх, сила тяжести совершает отрицательную работу.

Рассмотрим вычисление на примере, когда шар переместился из точки с высотой h 1 в точку с высотой h 2 .

При этом сила тяжести совершила работу, равную

A = — m g ( h 2 — h 1 ) = — ( m g h 2 — m g h 1 ) .

Эта работа равна изменению величины m g h , взятому с противоположным знаком.

Величина Е П = m g h — потенциальна энергия в поле силы тяжести. На нулевом уровне (на земле) потенциальную энергию тела можно не рассчитывать: она равна нулю.

Определение. Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — часть полной механической энергии системы, с нахождением в поле консервативных сил. Потенциальная энергия зависит от положения точек, составляющих систему. Механическая энергия — это сумма потенциальной и кинетической энергий, которые есть в компонентах механической системы.

Можно говорить о потенциальной энергии в поле силы тяжести, потенциальной энергии сжатой пружины (пружинной энергии) и т.д.

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком.

A = — ( E П 2 — E П 1 ) .

Ясно, что потенциальная энергия зависит от выбора нулевого уровня (начала координат оси OY). Подчеркнем, что физический смысл имеет изменение потенциальной энергии при перемещении тел друг относительно друга. При любом выборе нулевого уровня изменение потенциальной энергии будет одинаковым.

При расчете движения тел в поле гравитации Земли, но на значительных расстояниях от нее, во внимание нужно принимать закон всемирного тяготения (зависимость силы тяготения от расстояния до цента Земли). Приведем формулу, выражающую зависимость потенциальной энергии тела.

Здесь G — гравитационная постоянная, M — масса Земли.

Потенциальная энергия пружины

Представим, что в первом случае мы взяли пружину и удлинили ее на величину x . Во втором случае мы сначала удлинили пружину на 2 x , а затем уменьшили на x . В обоих случаях пружина оказалась растянута на x , но это было сделано разными способами.

При этом работа силы упругости при изменении длины пружины на x в обоих случаях была одинакова и равна

A у п р = — A = — k x 2 2 .

Величина E у п р = k x 2 2 называется потенциальной энергией сжатой пружины. Она равна работе силы упругости при переходе из данного состояния тела в состояние с нулевой деформацией.

Если перед вами часто поднимается вопрос определения и характеристики энергии, как явления, вам стоит подумать о сохранении описанной выше информации.

Беседа 2. Потенциальная энергия

Вы, мой друг, совершенно правильно интересуетесь важнейшей составляющей полной энергии.

Принято считать, что потенциальная энергия является частью общей энергии системы, зависящей от взаимного расположения материальных частиц, составляющих эту систему, и от их положений во внешнем силовом поле (гравитационное, электрическое поле).

Силовым полем мы называем ту часть пространства, в каждой точке которой на помещенную туда материальную частицу действует определённая по величине и направлению сила.

Численно потенциальная энергия системы в данном её положении равна работе, которую произведут действующие на систему силы при её перемещении из этого положения в то, где потенциальная энергия равна нулю.

Коллега, энергией обладает только пробное тело в потенциальном поле или потенциальное поле тоже?

Для ответа на Ваш вопрос открываем БСЭ (Большая Советская Энциклопедия) и в разделе «Поля физические» читаем (дословно):
«Поля физические, особая форма материи; физическая система, обладающая бесконечно большим числом степеней свободы. Примерами полей физических могут служить электромагнитное и гравитационное поля. ».

Отсюда следует, что потенциальное поле является материальной средой. Значит, как и любая материальная среда, это поле обладает энергией (соответственно, и массой). Кстати, это подтверждается, к примеру, наличием в поле электромагнитных волн, которые являются колебаниями этой материальной среды.

Конкретные границы поля определить сложно, поэтому физики давно привыкли оперировать энергией, содержащейся в единице объёма, то есть – объёмной плотностью энергии потенциального поля (измеряется в Дж/м 3 ). Возьмём, к примеру, книгу Зильбермана «Электричество и магнетизм» (Наука, М., 1970) и на стр. 136 читаем (дословно):
«В плоском конденсаторе и вообще в однородном поле плотность энергии, т. е. энергия, содержащаяся в единице объёма, постоянна и равна полной энергии, делённой на объём».

Коллега, раз уж потенциальное поле является материальной средой, то оно должно характеризоваться конкретными параметрами, которые можно вычислить и измерить.

Вы совершенно правы. Мы уже выяснили, что электрическое (потенциальное) поле характеризуется таким параметром, как объёмная плотность энергии (далее – давление, Дж/м 3 или Н/м 2 ). Кроме этого, потенциальное поле характеризуется потенциалом и его градиентом – напряженностью поля. Причем, давление, потенциал и напряженность характеризуют потенциальное поле в данной его точке, независимо от наличия в этой точке пробного тела, ибо поле, как мы уже знаем, само обладает энергией и массой.

Если потенциальную энергию (W_П, Дж) отнести к единичной массе (m, кг) или к единичному электрическому заряду (q, Кл), то получим гравитационный (v 2 = W_П/m, Дж/кг) или электрический (U = W_П/q, Дж/Кл) потенциалы.

Градиентом потенциала в данной его точке является напряженность поля:
— для гравитационного поля: g = – grad v 2 ;
— для электрического: E = – grad U (о знаке речь пойдет ниже).

Градиент (от лат. gradiens, род. падеж gradientis – шагающий), вектор, показывающий направление наискорейшего изменения некоторой величины от одной точки пространства к другой.

С удалением от центра поля изменяется не только потенциал, но и потенциальная энергия. И её градиентом является сила, которую мы называем силой тяготения.

Дополнение: Мы уже договорились, что градиентом гравитационного потенциала является напряженность гравитационного поля g = – grad v 2 . Помножив эти два параметра на массу, мы получим, соответственно, значение силы (F = mg) и потенциальной энергии (W_П = mv 2 ). Следовательно, силу тоже можно считать градиентом энергии в данной точке поля (F = – grad W_П).
Аналогично для электрического поля: напряженность электрического поля E = – grad U, сила F = qE, потенциальная энергия W_П = qU. Значит, и здесь F = – grad W_П.

Уравнение F = – grad W_П показывает, что работа сил вдоль замкнутой траектории в потенциальном поле всегда равна нулю.

Коллега, какие единицы измерения наиболее приемлемы для вышеназванных параметров?

Очень хороший вопрос. СИЛА измеряется в ньютонах (Н = кг*м/с 2 ) или в Дж/м. Второй вариант записи более приемлемый, ибо сразу даёт нам указание на то, что сила является всего лишь ГРАДИЕНТОМ ЭНЕРГИИ (Дж/м). Это важно, ибо упрощает дальнейшее понимание физических процессов. Кстати, это касается не только силы, но и таких параметров, как давление и потенциал.

ДАВЛЕНИЕ измеряется в Н/м 2 или в Дж/м 3 . Здесь тоже более приемлемым является второй вариант записи, ибо сразу указывает нам на ОБЪЁМНУЮ ПЛОТНОСТЬ ЭНЕРГИИ (Дж/м 3 ).

ПОТЕНЦИАЛ измеряется в м 2 /с 2 или в Дж/кг (для гравитационного поля) и в (кг/Кл)*( м 2 /с 2 ) или Дж/Кл (для электрического поля). И здесь более приемлемым является второй вариант записи, ибо сразу указывает на значение потенциальной энергии, отнесенной к единице массы (Дж/кг) для гравитационного поля или отнесенной к единице электрического заряда (Дж/Кл) для электрического поля.

И наконец, коллега, давайте рассмотрим, как определяется значение потенциальной энергии.

Пожалуй, теперь мы готовы решать и эту проблему. Значение потенциальной энергии определяется двумя способами:
— упрощенный (приближенный) – для однородного поля;
— общий (истинный) – для неоднородного поля, которое нас реально и окружает.

Потенциальное поле можно условно считать однородным, если вектор напряженности во всех его точках имеет одно и то же значение и направление. К примеру, для гравитационного поля это правило можно применить только у поверхности Земли на небольшом её участке (скажем, в лабораторном опыте). В этом случае для упрощения расчетов значение потенциальной энергии пробного тела на поверхности Земли условно принимается равной нулю, а её значение в любой другой точке определяется из уравнения:

W_П = mgh, Дж,
где g – напряженность гравитационного поля (Н/кг), а h – вертикальное расстояние (м) от поверхности Земли до пробного тела массой m (кг).

Здесь знак перед значением потенциальной энергии принципиального значения не имеет.

Коллега, но ведь это и есть наиболее распространенный способ определения потенциальной энергии.

К сожалению, многие учебники физики на этом и завершают определение потенциальной энергии. Но не все. Взять, к примеру, Общий курс физики Сивухина (Москва, МФТИ, 2005) или американский курс Физики в переводе под редакцией Ахматова (Москва, Наука, 1974).

Здесь рассматривается:
— уже известный нам способ определения потенциальной энергии пробного тела в однородном поле тяжести у поверхности Земли (том 1, стр. 144-145 первого источника и часть III, стр.152-157 второго источника);
— и общий способ определения потенциальной энергии для неоднородного поля (том 1, стр. 145-146 первого источника и часть III, стр.157-159 второго источника).

Общий способ расчета дает уже отрицательное значение потенциальной энергии:
— уравнение (25.6) W(U) = – GMm/r в первом источнике и
— уравнение W(Ur) = – GMm/r – во втором.

Отрицательное значение потенциальной энергии здесь объясняется следующим образом:
— в первом источнике (цитата): «Максимальной энергией притягивающиеся массы обладают при бесконечном расстоянии между ними. В этом положении потенциальная энергия считается равной нулю. Во всяком другом положении она меньше, т. е. отрицательна»;
— во втором источнике дано доказательство правильности уравнения W(Ur) = – GMm/r.

И действительно, свободно падающее к центру поля тело теряет свою потенциальную энергию, которая переходит в кинетическую. Значит, потенциальная энергия с уменьшением расстояния между центрами масс (M и m) уменьшается и, наоборот, с увеличением расстояния – увеличивается.

Учитывая, что в уже известном нам уравнении W_П = – GMm/r символ радиуса находится в знаменателе, то предельно ясно, что с увеличением расстояния (значение радиуса стремится к бесконечности) потенциальная энергия увеличивается до… нуля. Такое возможно только в том случае, если потенциальная энергия во всяком другом положении отрицательна.

Вывод: потенциальная энергия для всех материальных частиц отрицательна.

Отсюда следует, что значение гравитационного потенциала v 2 = W_П/m = – GM/r тоже отрицательно. И подтверждением этому является уравнение (3) в разделе «Тяготение» (стр. 772) Физического Энциклопедического Словаря или аналогичного раздела Большой Советской Энциклопедии.

Аналогично определяется значение потенциальной энергии и электрического потенциала в электрическом поле. Причем далее мы убедимся в том, что потенциальная энергия и её объёмная плотность (давление) ОДИНАКОВЫ и для гравитационного, и для электрического полей.

Коллега, теперь попробуйте записать Ваше высказывание в виде формулы.

Формулы пишут математики, а физики пользуются уравнениями. Необходимые уравнения здесь уже приводились. Однако попробуем, все же, обойтись пока без них, тем более – без «формул».

Для этого используем бытовые наблюдения, которые подсказывают: чтобы испарить воду, кипящую в чайнике, нужно сжечь некоторое количество дров или газа. Другими словами, нужно совершить работу. С помощью термометра можно убедиться, что температура кипящей воды и температура пара над ней одинаковы. Следовательно, одинакова и средняя энергия движения частиц в кипящей воде и в паре.

Вывод: тепловая энергия, передаваемая кипящей воде от топлива, преобразуется в энергию взаимодействия частиц испаряющейся воды. Значит, энергия связи частиц в кипящей воде меньше, чем в водяном паре. Но в паре эта энергия практически равна нулю, следовательно, энергия взаимодействия частиц в жидкости меньше нуля, т.е. отрицательна.

Коллега, Ваши доводы убедительны и примеры Вы приводите неопровержимые. Однако не все думают так же.

И здесь Вы совершенно правы. Для физиков проблем с пониманием сути и знака потенциальной энергии нет, ибо они гравитационное поле, в том числе и поле тяготения Земли, считают НЕОДНОРОДНЫМ. Для физиков напряженность гравитационного поля изменяется с расстоянием в квадрате: g = Gm/r 2 .

Однако математики так не думают. Для них гравитационное поле является ОДНОРОДНЫМ с неизменной напряженностью гравитационного поля (вроде этот параметр и не зависит от радиуса). Значение потенциальной энергии они определяют по упрощенной формуле W = mgh. Они не связывают h с радиусом поля, а считают его простым отрезком между двумя произвольными точками этого поля. Поэтому для них потенциальная энергия может принимать нулевое значение в любой понравившейся им точке. Нонсенс, но бывает и такое.

Но есть ещё и «физико-математики». Их мнение зависит от того, насколько они физики или математики.

Коллега, почему Вы считаете, что математики «тяготеют» к однородному полю?

В подтверждение этому открываем Краткий курс математического анализа (Бермант, Араманович, 2005) и на стр. 520 в разделе «Теория поля» читаем:
«Векторное поле называется однородным, если А(Р) — постоянный вектор, т.е. Ах, Аy и Az — постоянные величины.
Примером однородного поля может служить, например, поле тяжести».

Теперь Вы и сами видите, что математики гравитационное поле называют «полем тяжести» и «всерьёз» считают его однородным. И это не просто безобидное заблуждение, ибо оно мешает нам осознать Природу гравитации. Однако, об этом мы поговорим немного позже.