什麼是彈性位能?
彈性位能是指彈性物體——例如彈簧、橡皮筋或高空彈跳繩——在被拉伸或壓縮、偏離其自然長度時所儲存的能量。只要材料符合虎克定律(Hooke's law),這股儲存的能量便能在之後釋放出來做功,例如把物體彈射出去,或讓彈簧回復到靜止狀態。本計算器適用於任何行為近似理想彈簧的系統。
計算器使用方法
請輸入兩個數值:彈簧常數 k(單位為牛頓每公尺,N/m),代表彈簧的硬度或剛性;以及位移量 x(單位為公尺,m),也就是彈簧從平衡位置被拉伸或壓縮的距離。計算器會立即回傳所儲存的彈性位能,單位為焦耳(J)。
公式說明
計算公式為 $$PE = \frac{1}{2} \times k \times x^2$$ 式中的二分之一係數,源自於彈簧被位移時,回復力會從零線性增加到 \(kx\),因此在整段位移過程中的平均作用力為 \(\frac{1}{2}kx\)。將這個平均力乘上位移 \(x\),即得到所做的功——也就是儲存的能量。由於 \(x\) 是平方項,當位移量加倍時,儲存的能量會變成四倍。
實際範例
假設有一條彈簧常數 \(k = 200 \ \text{N/m}\) 的彈簧,被壓縮 \(x = 0.5 \ \text{m}\)。則 $$PE = \frac{1}{2} \times 200 \times (0.5)^2 = 0.5 \times 200 \times 0.25 = 25 \ \text{焦耳}$$ 當彈簧釋放時,這股儲存的能量便足以將一個小質量物體彈射出去。
常見問題
彈簧是被拉伸還是被壓縮,會有差別嗎?不會。由於 \(x\) 是平方項,相同幅度的拉伸或壓縮所儲存的能量完全相同。
該使用哪種單位?\(k\) 請使用 N/m,\(x\) 請使用公尺(m),這樣得到的能量才會是焦耳。若混用單位(例如用公分),會得到錯誤的結果。
大幅度的拉伸也適用嗎?只有在虎克定律仍然成立的範圍內才適用。一旦超過材料的彈性極限,作用力便不再呈線性關係,此公式也就不再適用。