Was bedeutet potentielle Energie wirklich?

Ich kann also nicht verstehen, woher die potentielle Energie kommt?

Die potentielle Energie kommt von der negativen Arbeit, die von der Schwerkraft geleistet wird. Die durch die Schwerkraft geleistete Arbeit ist negativ, da die Richtung der Kraft der Verschiebung entgegengesetzt ist. Wenn eine Kraft negative Arbeit an einem Objekt leistet, entzieht sie diesem Objekt Energie. In diesem Fall entzieht die Schwerkraft Energie, die Sie dem Objekt aufgrund Ihrer positiven Arbeit gegeben haben, und speichert sie als Gravitationspotentialenergie des Erde-Objekt-Systems.

Die Arbeit, die Sie an dem Objekt verrichten, ist positiv, da Ihre Kraft in die gleiche Richtung wie die Verschiebung wirkt. Wenn die von der Schwerkraft geleistete negative Arbeit genau gleich der von Ihnen geleisteten positiven Arbeit ist, ist die Nettoarbeit null. Dies würde passieren, wenn das Objekt auf dem Boden zu ruhen beginnt und Sie es in der Höhe zur Ruhe bringen$h$. Da das Objekt in Ruhe beginnt und endet, ist die Änderung seiner kinetischen Energie ($\Delta KE$) ist Null und nach dem Arbeitsenergieprinzip bedeutet dies, dass die geleistete Nettoarbeit Null ist.

Nun, da die Schwerkraft die Energie nahm$mgh$weg von dem Objekt, was hat es damit gemacht? Es speicherte es als Änderung der Gravitationspotentialenergie ($\Delta U$) des Erde-Objekt-Systems. Beachten Sie diese potentielle Energie$U$ist eine Systemeigenschaft. Das Objekt allein besitzt es nicht, und die Erde allein besitzt es nicht. Es existiert nur, wenn sowohl das Objekt als auch die Erde vorhanden sind. Es „gehört“ also beiden.

Angenommen, Sie bringen es zur Ruhe, anstatt es zu beruhigen$h$, Sie haben es weiter angehoben, so dass es eine vertikale Geschwindigkeit hatte$v$und kinetische Energie von$\frac{1}{2}mv^2$bei$h$. In diesem Fall bei$h$es würde eine Änderung der potentiellen Energie ($\Delta U$) und eine Änderung der kinetischen Energie ($\Delta KE$). Der$\Delta KE$stellt dann die am Objekt geleistete Netzarbeit nach dem Arbeitsenergieprinzip dar, oder

$$W_{net}=W_{you}+W_{gravity}=\Delta KE$$

warum es als Arbeit definiert wird, die durch konservative Kraft geleistet wird

Die Schwerkraft ist eine konservative Kraft, weil es sich um eine Kraft handelt, deren Arbeit nur durch die endgültige Verschiebung des Objekts bestimmt wird, auf das eingewirkt wird. In diesem Fall die vertikale Verschiebung des Objekts. Beachten Sie, dass es keine Rolle spielte, ob das Objekt eine Geschwindigkeit von hatte$h$. Die von der Schwerkraft geleistete Arbeit ist still$-mgh$. Die Arbeit, die Sie dagegen verrichteten, war anders, wenn Sie das Objekt zur Ruhe brachten$h$als wenn Sie ihm eine Geschwindigkeit bei geben würden$h$. Es kam nicht nur auf die vertikale Verschiebung an. Daher ist die von Ihnen angewendete Kraft nicht konservativ. Wir können die obige Gleichung jetzt umschreiben als

$$W_{net}=W_{non-conservative}+W_{conservative}=\Delta KE$$

Da die von der Schwerkraft geleistete negative Arbeit nur der Änderung der potentiellen Energie entspricht

$$W_{conservative}=-\Delta U$$

Hoffe das hilft.

Die Sache ist, dass die von der Schwerkraft geleistete Arbeit die potentielle Energie ist.

Potenzial ist nur ein Name für die Arbeit konservativer Kräfte, da ihre Arbeit nicht verschwendet, sondern „gespeichert“ wird (es besteht die Möglichkeit , sie wieder freizusetzen).

Man kann sie also Arbeit nennen,$W_\text{conservative}$, oder man kann sie potentielle Energien nennen,$U$, je nachdem, was Sie wollen. Sie sind zwei Seiten derselben Medaille:

$$W_\text{conservative}=-\Delta U.$$

Damit lässt sich der Arbeitsenergiesatz schreiben:

$$W=W_\text{non-conservative}+W_\text{conservative}=\Delta K$$ was zeigt, dass die von konservativen Kräften geleistete Arbeit gleich aller anderen geleisteten Arbeit sein muss, wenn sich die Geschwindigkeit, die kinetische Energie nicht ändert. Heben Sie beispielsweise eine Kiste vom Boden, und die Schwerkraft (eine konservative Kraft) leistet die gleiche negative Arbeit wie Sie positive Arbeit an der Kiste leisten.

Wenn wir uns für den Arbeits-Energie-Satz entscheiden$U$anstatt$W_\text{conservative}$, dann haben wir:

$$W=\Delta U+\Delta K.$$

Bei unveränderter kinetischer Energie sehen wir, dass die beim Anheben einer Kiste verrichtete Arbeit direkt in potentielle Energie umgewandelt wird. Dies entspricht dem allgemeinen Energieerhaltungssatz (in diesem Fall für mechanische Kräfte).

Denken Sie also daran, dass die Arbeit konservativer Kräfte und potenzielle Energie zwei Möglichkeiten sind, dasselbe auszudrücken.