功、能量與功率
位能(potential energy)
有些東西即使靜止不動,也已經蓄勢待發:拉滿的弓、懸在崖邊的巨石、被壓縮的彈簧。位能(potential energy)是儲存在物體位置或排列方式裡的能量——是被存起來、等著轉化為運動的能量。放開弓弦,儲存的能量就變成箭的速度。
更精確地說,位能是因為系統各部分所在的位置、被一個保守力(像重力或彈簧的拉力這類、做功只取決於起點和終點的力)維持著,而儲存在系統裡的能量。物理上真正重要的永遠是位能的變化:當保守力做了功 W,位能就改變相反的量,ΔU = -W。因為只有變化算數,你可以自由選擇 U = 0 的位置——地板、桌面、彈簧的自然長度——哪個讓問題最簡單就選哪個。
位能有好幾種——重力位能(來自高度)、彈性位能(來自拉伸或壓縮)、電位能(來自電荷)——每一種都能與動能相互轉換。有個誠實的細節:位能屬於整個系統,而不屬於單獨一個物體。真正儲存位能的是地球加球這個系統、或彈簧加木塊這個系統,即使我們常隨口說成「球的」位能。
把一本 2 kg 的書從地板舉到 1.5 m 高的架子上。取地板為 U = 0,它的重力位能變成 U = m g h = 2 x 9.8 x 1.5 約為 29 J。把它從架上碰下來,這 29 J 在落下時就變成動能——落到地板時大約帶著 29 J 的運動。
高度就是存起來的能量:你舉書花掉的 29 J,正是它落下時還給你的 29 J。
只有位能的差才有物理意義;零點是你自由的選擇,不是大自然的事實。所以位能是負的並不奇怪——它只表示物體位在你所選參考位置的下方。
又稱
另見