Gravitacijsko potencialno energijo pridobi predmet, ko se premakne proti gravitacijskemu polju. Na primer, predmet, dvignjen nad površje Zemlje, bo pridobil energijo, ki se sprosti, če predmetu dovolimo, da pade nazaj na tla. Da se predmet dvigne navpično navzgor, je treba delo opraviti proti vleku teže navzdol. To delo se nato shrani kot gravitacijska potencialna energija. Ko se predmet sprosti in pade proti Zemlji, se potencial pretvori v kinetično energijo ali gibanje.
Nihalo je dober primer razmerja med gravitacijskim potencialom in kinetično energijo. Na najvišji točki ima nihalo samo potencialno energijo. Ko se spušča, se ta pretvori v kinetično energijo in doseže maksimum na najnižji točki, kjer nima potencialne energije. Ko se ponovno zaniha navzgor, se kinetika pretvori v potencialno energijo.
Količina potencialne energije, ki jo ima predmet, je odvisna od mase ali teže predmeta, njegove višine nad površino in jakosti gravitacijskega polja. Če so ostali dejavniki enaki, bo imel težki predmet več gravitacijske potencialne energije kot lažji predmet. Predmet, ki je 1 milja (1.6 km) na nebu, bo imel več energije kot isti predmet 1 čevelj (30.48 cm) od površine. Na Luni, ki ima šibkejše gravitacijsko polje kot Zemlja, bo imel predmet manj potencialne energije kot isti objekt na podobni višini nad Zemljo.
Izračun gravitacijske potencialne energije
Potencialno energijo predmeta lahko izračunamo kot maso predmeta, pomnoženo z gravitacijsko silo, pomnoženo z višino predmeta nad dano točko. Ta točka je lahko površina Zemlje ali pa je lahko tla v sobi. Dejansko je potencial mogoče izračunati za katero koli točko pod objektom.
Gravitacijska sila je običajno izražena kot pospešek, ki ga doživi predmet, ki lahko prosto pade, ne glede na učinke zračnega upora ali trenja. Čeprav se jakost gravitacijskega polja na zemeljskem površju razlikuje od kraja do kraja, so razlike tako majhne, da so skoraj zanemarljive. V fiziki se zato pospešek zaradi gravitacije blizu površine Zemlje običajno šteje za konstanto, z vrednostjo približno 32 čevljev (9.8 metra) na sekundo na sekundo (feet/s2 ali m/s2). Preprosto formulo potencialne energije za predmet, dvignjen s površine zemlje, bi torej lahko izrazili takole:
potencialna energija = masa predmeta v funtih × 32 × višina predmeta v stopalih ali potencialna energija = masa predmeta v kilogramih × 9.8 × višina predmeta v metrih
Ta formula dobro deluje za predmete blizu zemeljskega površja. Z lahkoto ga je mogoče prilagoditi podobnim scenarijem v drugih gravitacijskih poljih, na primer na Luni ali na Marsu, tako da ustrezno spremenite vrednost gravitacijske sile. Ker se moč katerega koli gravitacijskega polja zmanjšuje z oddaljenostjo od vira, bo ta formula delovala le za predmete, ki so relativno blizu površine vira gravitacije, kjer je zmanjšanje gravitacijske sile premajhno, da bi bilo pomembno. Za predmete, ki so relativno oddaljeni od površine, je treba upoštevati maso vira gravitacije in razdaljo od njegovega središča do predmeta.
uporabljate
Verjetno najpomembnejša uporaba gravitacijske potencialne energije je hidroelektrarna. Tukaj se potencialna energija vode v jezeru ali rezervoarju, ki se nahaja visoko nad elektrarno, izkorišča za proizvodnjo električne energije. Vodi je dovoljeno, da se spusti iz rezervoarja, pretvarja potencial v kinetično energijo, gibanje vode pa poganja turbino, ki ustvarja električni tok. V obdobjih nizkega povpraševanja ima lahko elektrarna presežek električne energije, ki se lahko uporabi za črpanje vode nazaj v rezervoar in tako pridobi več potencialne energije.
Druga aplikacija je v protiuteži, ki se uporablja v številnih mehanskih napravah. Nekatere vrste dvigal na primer uporabljajo protiutež tako, da se spušča, ko se dvigalo dviga, in obratno. Ko se avto dvigne, se potencialna energija protiuteži pretvori v kinetično energijo, ko se spušča, tako da pomaga potegniti avto navzgor in zmanjša količino dela, ki ga mora opraviti motor, ki poganja napravo. Ko se kabina dvigala spušča – s pomočjo gravitacije – se protiutež povleče nazaj navzgor in pridobi potencialno energijo.