퍼텐셜 에너지

퍼텐셜 에너지는 중력처럼 물체 사이에 작용하는 힘이나 용수철의 탄성력과 관련된다. 지표면 근처의 중력 퍼텐셜 에너지는 질량과 기준면으로부터의 높이로 나타내며, 용수철의 탄성 퍼텐셜 에너지는 변형량에 따라 정해진다.^[3][4][5]

운동 에너지와 퍼텐셜 에너지의 합을 역학적 에너지라고 한다. 보존력만 작용하는 과정에서는 한 형태의 에너지가 다른 형태로 바뀌어도 두 에너지의 합은 일정하게 유지된다.^[4]

퍼텐셜 에너지의 변화량은 계 내부에서 보존력이 한 일의 음수로 정의된다. 힘의 방향을 거슬러 물체를 옮길 때 외부에서 한 일이 퍼텐셜 에너지로 저장되며, 힘이 물체를 움직이면 그 에너지는 감소할 수 있다.^[1][3]

퍼텐셜 에너지의 값은 0으로 정한 기준점에 따라 표현된다. 중력 위치 에너지는 기준면을 바꾸면 값이 달라지지만, 두 위치 사이에서 변한 에너지는 기준면 선택과 무관하다.^[1][5]

지표면 근처에서 중력장이 거의 일정하다고 보면, 질량이 $m$인 물체가 기준면보다 높이 $h$에 있을 때 중력 퍼텐셜 에너지는 $U=mgh$로 나타낸다. 여기서 $g$는 중력가속도이며, 기준면은 에너지를 비교하기 위해 정한다.^[3][5]

예를 들어 질량 100 g인 공이 지상 7m 높이에서 정지해 있다가 4m 높이까지 떨어지는 상황에서는, 공과 지구를 하나의 계로 두고 초기와 최종의 운동 에너지와 퍼텐셜 에너지를 비교할 수 있다. 보존력만 작용한다고 볼 때 줄어든 중력 퍼텐셜 에너지는 운동 에너지 증가로 이어진다.^[2][3]

용수철의 탄성 퍼텐셜 에너지는 변형되지 않은 위치에서의 변위 $x$와 용수철 상수 $k$로 $U=\frac{1}{2}k{x}^2$처럼 나타낸다. 용수철을 늘이거나 압축할 때 한 일이 용수철에 저장되는 에너지다.^[4]

이 에너지는 용수철이 최종적으로 얼마나 늘어나거나 압축되었는지에 따라 정해지며, 그 상태에 이르는 경로에는 의존하지 않는다. 따라서 변형량이 같은 두 상태는 같은 탄성 퍼텐셜 에너지를 갖는다.^[4]

힘을 만드는 장은 퍼텐셜 에너지가 낮아지는 방향으로 물체를 움직이려 한다. 한 방향으로 위치가 증가할수록 퍼텐셜 에너지가 커진다면, 힘은 그 위치를 줄이는 쪽을 향한다.^[1]

퍼텐셜 에너지를 위치에 따라 그린 곡선의 기울기는 힘의 방향과 연결된다. 곡선의 기울기가 없는 지점은 힘이 0인 평형 상태이며, 주변에서 에너지가 더 낮아지는 방향을 살피면 평형의 안정성을 해석할 수 있다.^[1][5]

• 운동 에너지
• 역학적 에너지
• 보존력

^[1] 2230nsc1.phy-astr.gsu.edu(새 탭에서 열림)

^[2] Wwww.physicsbook.gatech.edu(새 탭에서 열림)

^[3] Wwww.physicsbook.gatech.edu(새 탭에서 열림)

^[4] Oopenstax.org(새 탭에서 열림)

^[5] Ggongbaek.wiki(새 탭에서 열림)