Gravitacijsku potencijalnu energiju objekt stječe kada se pomakne prema gravitacijskom polju. Na primjer, objekt podignut iznad površine Zemlje dobit će energiju, koja se oslobađa ako se objektu dopusti da padne natrag na tlo. Da bi se predmet mogao podignuti okomito prema gore, rad mora biti izveden protiv sile teže prema dolje. Taj se rad tada pohranjuje kao gravitacijska potencijalna energija. Kada se objekt oslobodi i padne prema Zemlji, potencijal se pretvara u kinetičku energiju, odnosno kretanje.
Njihalo je dobar primjer odnosa između gravitacijskog potencijala i kinetičke energije. Na najvišoj točki njihalo ima samo potencijalnu energiju. Kako se spušta, ona se pretvara u kinetičku energiju, dostižući maksimum na najnižoj točki, gdje nema potencijalnu energiju. Kako se ponovno ljulja prema gore, kinetika se pretvara u potencijalnu energiju.
Količina potencijalne energije koju objekt posjeduje ovisi o masi ili težini objekta, njegovoj visini iznad površine i jačini gravitacijskog polja. Ako su ostali čimbenici isti, teški objekt će imati više gravitacijske potencijalne energije od lakšeg objekta. Objekt udaljen 1 milju (1.6 km) na nebu imat će više energije od istog objekta udaljenog 1 stopu (30.48 cm) od površine. Na Mjesecu, koji ima slabije polje gravitacije od Zemlje, objekt će imati manju potencijalnu energiju od istog objekta na sličnoj visini iznad Zemlje.
Izračunavanje gravitacijske potencijalne energije
Potencijalna energija objekta može se izračunati kao masa objekta, pomnožena gravitacijskom silom, pomnožena s visinom objekta iznad zadane točke. Ta točka može biti površina Zemlje ili može biti pod sobe. Zapravo, potencijal se može izračunati za bilo koju točku ispod objekta.
Gravitacijska sila obično se izražava kao ubrzanje koje doživljava objekt koji slobodno pada, bez obzira na učinke otpora zraka ili trenja. Iako jačina gravitacijskog polja na površini Zemlje varira od mjesta do mjesta, varijacije su toliko male da su gotovo zanemarive. U fizici se stoga ubrzanje zbog gravitacije u blizini površine Zemlje obično smatra konstantom, s vrijednošću od približno 32 stope (9.8 metara) u sekundi u sekundi (feet/s2 ili m/s2). Jednostavna formula potencijalne energije za objekt podignut s površine zemlje mogla bi se stoga izraziti na sljedeći način:
potencijalna energija = masa objekta u funtama × 32 × visina objekta u stopama ilipotencijalna energija = masa objekta u kilogramima × 9.8 × visina objekta u metrima
Ova formula dobro funkcionira za objekte blizu Zemljine površine. Lako se može prilagoditi da se nosi sa sličnim scenarijima u drugim gravitacijskim poljima, na primjer na Mjesecu ili na Marsu, promjenom vrijednosti gravitacijske sile u skladu s tim. Međutim, budući da se jačina bilo kojeg gravitacijskog polja smanjuje s udaljenosti od njegovog izvora, ova formula će raditi samo za objekte relativno blizu površine izvora gravitacije, gdje je smanjenje gravitacijske sile premalo da bi bilo važno. Za objekte koji su relativno udaljeni od površine, mora se uzeti u obzir masa izvora gravitacije i udaljenost od njegova središta do objekta.
Koristi
Vjerojatno najvažnija upotreba gravitacijske potencijalne energije je hidroelektrična energija. Ovdje se potencijalna energija vode u jezeru ili rezervoaru koji se nalazi visoko iznad elektrane iskorištava za proizvodnju električne energije. Vodi je dopušteno da se spusti iz rezervoara, pretvarajući potencijal u kinetičku energiju, a kretanje vode pokreće turbinu, koja stvara električnu struju. Tijekom razdoblja niske potražnje, elektrana može imati višak električne energije, koja se može koristiti za pumpanje vode natrag u rezervoar, stvarajući više potencijalne energije.
Druga primjena je u protuutezima, koji se koriste u brojnim mehaničkim uređajima. Na primjer, neke vrste dizala koriste protuuteg na takav način da se spušta kada se kabina dizala uspinje, i obrnuto. Kada se automobil kreće gore, potencijalna energija protuutega pretvara se u kinetičku energiju dok se spušta, tako da pomaže povući automobil prema gore, smanjujući količinu posla koji mora obaviti motor koji pokreće uređaj. Kako se kabina dizala spušta – uz pomoć gravitacije – protuuteg se povlači natrag, dobivajući potencijalnu energiju.