功、能量與功率

重力位能(gravitational potential energy)

舉起任何東西,你都能感覺到自己在把能量存進它裡面:鐵鎚舉得越高,落下時打得越重。重力位能(gravitational potential energy)是物體因為在重力場中位置較高而獲得的能量——只憑高度就存起來的能量。它是水壩後方蓄水裡的能量、是被舉高的打樁機裡的能量、是溜滑梯頂端小孩身上的能量。

在地球表面附近、重力幾乎不變的地方,規則簡單而優美:U = m g h——質量乘以 g(約 9.8 m/s^2)再乘以相對你所選參考點的高度。舉起較重的東西、或舉得更高,存的能量就成比例增加。到了更遠、重力隨距離變弱的地方,精確式子是 U = -G m1 m2 / r,其中 G 是重力常數,r 是兩者中心之間的距離。那個負號只是把能量的零點定在無限遠處,於是被束縛的物體具有負的位能。

這是水力發電廠、雲霄飛車、單擺和人造衛星背後的通貨。一個誠實的提醒:U = m g h 只是近似式,只在靠近地表、g 幾乎不隨高度改變時才成立。若把東西舉到人造衛星的高度,g 已明顯變弱,就必須改用完整的 -G m1 m2 / r 形式。

一位 60 kg 的登山者往山上爬了 400 m。相對於登山口,她儲存的重力位能為 U = m g h = 60 x 9.8 x 400 約為 235,000 J——約 235 kJ,差不多是一小條巧克力的能量。這就是為什麼爬山感覺像在做功:你正用高度替自己充電。

每爬高一公尺就存下 m g 的能量;原則上,下坡時可以把它全數還回來。

重力位能屬於物體加地球這個系統,不屬於物體單獨一個,而且它的零點由你選定。公式 U = m g h 只在地表附近有效;跨越天文尺度時要用 U = -G m1 m2 / r。

又称
GPE重力位能重力勢能