Gravitacinę potencialią energiją objektas įgyja, kai jis pajudinamas prieš gravitacinį lauką. Pavyzdžiui, virš Žemės paviršiaus iškeltas objektas įgaus energijos, kuri išsiskiria, jei objektui bus leidžiama nukristi atgal į žemę. Norint, kad objektas būtų pakeltas vertikaliai į viršų, darbas turi būti atliekamas prieš gravitacijos trauką žemyn. Tada šis darbas saugomas kaip gravitacinė potenciali energija. Kai objektas paleidžiamas ir krenta link Žemės, potencialas paverčiamas kinetine energija arba judėjimu.
Švytuoklė yra geras gravitacinio potencialo ir kinetinės energijos ryšio pavyzdys. Aukščiausiame taške švytuoklė turi tik potencialią energiją. Kai jis nusileidžia, jis paverčiamas kinetine energija ir pasiekia maksimumą žemiausiame taške, kur ji neturi potencialios energijos. Kai ji vėl pakyla, kinetika paverčiama potencialia energija.
Objekto turimos potencialios energijos kiekis priklauso nuo objekto masės arba svorio, jo aukščio virš paviršiaus ir gravitacinio lauko stiprumo. Jei kiti veiksniai yra vienodi, sunkus objektas turės daugiau gravitacinės potencialios energijos nei lengvesnis objektas. Objektas, esantis 1 mylios (1.6 km) aukštyje danguje, turės daugiau energijos nei tas pats objektas, esantis 1 pėdos (30.48 cm) atstumu nuo paviršiaus. Mėnulyje, kurio gravitacijos laukas yra silpnesnis nei Žemėje, objektas turės mažiau potencialios energijos nei tas pats objektas, esantis panašiame aukštyje virš Žemės.
Gravitacinės potencialios energijos apskaičiavimas
Objekto potenciali energija gali būti apskaičiuojama kaip objekto masė, padauginta iš gravitacinės jėgos, padauginta iš objekto aukščio virš tam tikro taško. Tas taškas gali būti Žemės paviršius arba kambario grindys. Tiesą sakant, potencialą galima apskaičiuoti bet kuriame taške žemiau objekto.
Gravitacinė jėga paprastai išreiškiama kaip pagreitis, kurį patiria objektas, kuriam leidžiama laisvai kristi, neatsižvelgiant į oro pasipriešinimo ar trinties poveikį. Nors gravitacinio lauko stiprumas Žemės paviršiuje įvairiose vietose skiriasi, svyravimai yra tokie maži, kad yra beveik nereikšmingi. Todėl fizikoje pagreitis dėl gravitacijos šalia Žemės paviršiaus paprastai laikomas konstanta, o jo vertė yra maždaug 32 pėdos (9.8 metro) per sekundę per sekundę (pėdos/s2 arba m/s2). Todėl paprastą objekto, pakelto nuo žemės paviršiaus, potencialios energijos formulę būtų galima suformuluoti taip:
potenciali energija = objekto masė svarais × 32 × objekto aukštis pėdomis arba potenciali energija = objekto masė kilogramais × 9.8 × objekto aukštis metrais
Ši formulė gerai tinka objektams arti Žemės paviršiaus. Jį galima lengvai pritaikyti panašiems scenarijams kituose gravitaciniuose laukuose, pavyzdžiui, Mėnulyje ar Marse, atitinkamai pakeitus gravitacinės jėgos vertę. Kadangi bet kokio gravitacinio lauko stiprumas mažėja tolstant nuo jo šaltinio, ši formulė veiks tik santykinai arti gravitacijos šaltinio paviršiaus esantiems objektams, kur gravitacinės jėgos sumažinimas yra per mažas, kad būtų svarbus. Objektams, esantiems gana toli nuo paviršiaus, reikia atsižvelgti į gravitacijos šaltinio masę ir atstumą nuo jo centro iki objekto.
Naudoja
Turbūt svarbiausias gravitacinės potencialios energijos panaudojimas yra hidroelektrinėje. Čia potenciali vandens energija ežere ar rezervuare, esančiame aukštai virš elektrinės, išnaudojama elektros energijai gaminti. Vandeniui leidžiama nusileisti iš rezervuaro, potencialą paverčiant kinetine energija, o vandens judėjimas varo turbiną, kuri generuoja elektros srovę. Mažos paklausos laikotarpiais elektrinėje gali būti perteklinė elektros energija, kurią galima panaudoti vandeniui siurbti atgal į rezervuarą, taip sukaupiant daugiau potencialios energijos.
Kitas pritaikymas yra atsvarai, kurie naudojami daugelyje mechaninių įrenginių. Pavyzdžiui, kai kurių tipų liftai naudoja atsvarą taip, kad lifto kabinai kylant jis leidžiasi žemyn ir atvirkščiai. Automobiliui kylant į viršų, leidžiant žemyn, atsvaro potenciali energija paverčiama kinetine energija, todėl ji padeda patraukti automobilį aukštyn, sumažindama darbą, kurį turi atlikti įrenginį varantis variklis. Lifto kabinai leidžiantis žemyn – padedama gravitacijos – atsvara patraukiama atgal į viršų, įgydama potencialios energijos.