功、能量與功率
彈性位能(elastic potential energy)
拉開橡皮筋、拉滿弓弦,或踩下彈簧床,你都能感覺到它回推、把你的施力儲存起來。彈性位能(elastic potential energy)是儲存在被拉伸、壓縮或彎離自然形狀的東西裡的能量——這股能量會把物體彈回原狀,並能交給它所發射的任何東西。
對於一個遵守虎克定律的理想彈簧(回復力與伸長量成正比,F = -k x,其中 k 是彈簧的勁度、x 是相對自然長度的伸長或壓縮量),儲存的能量是 U = 1/2 k x^2。那個 x^2 表示:拉長兩倍,儲存的能量是四倍。從幾何上看,它是力對伸長量直線下方的三角形面積——這正是為什麼像彈簧這種會變化的力,需要這個平方公式,而不是簡單的力乘距離。
你會在弓箭和彈弓、在彈跳桿或汽車懸吊的彈簧裡遇見它,它也是每一種振盪的核心——彈簧上的物體不停地把彈性位能與動能來回互換,只要沒有東西把能量抽走,就能永遠持續。一個誠實的限制:U = 1/2 k x^2 假設材料真的是彈性的、且維持在虎克定律範圍內。拉得太過頭,它會發熱、永久變形或斷裂,這條漂亮的公式就不再成立了。
一個勁度 k = 200 N/m 的彈簧被壓縮 x = 0.10 m。它儲存的彈性位能為 U = 1/2 k x^2 = 1/2 x 200 x (0.10)^2 = 1/2 x 200 x 0.01 = 1 J。放開讓它推一顆球,忽略摩擦力,這 1 J 就變成球的動能。
把彈簧壓縮兩倍遠,儲存的能量就是四倍——這就是 x^2 在起作用。
1/2 k x^2 裡的 1/2 不能省略:因為彈簧的力是隨著你拉伸從零逐漸增大,儲存的能量是平均力(最大力的一半)乘以距離,而不是最大力乘以距離。
又稱
另見