위치 에너지

위치 에너지(Potential Energy, 일명 퍼텐셜 에너지)는 물리학에서, 물체나 계에 저장되는 에너지로, 보존력에 대한 그 물체의 상대적인 위치에 의해 결정된다. 위치 에너지는 상대적인 양이기 때문에 실제로 물리적 의미를 갖는 것은 위치 에너지 간의 차이이며, 기준점을 정해서 사용하기도 한다. 위치 에너지는 운동 에너지와 같은 다른 형태의 에너지로 바뀔 수 있으며, 그 과정에서 일을 하게 된다. 위치에너지의 단위는 일이나 다른 형태의 에너지와 같은 단위를 사용하여 SI 단위계에서 줄(J로 나타냄)이다. 운동 에너지는(Kinetic Energy) 물리학에서, 역학적(총) 에너지에서 위치에너지를 뺀 값이다.

어원

"위치 에너지"라는 용어는 19세기에 스코틀랜드의 공학자이자 물리학자인 윌리엄 랭킨이 처음 사용하였다.

개관

위치 에너지는 계에 저장되는 에너지로, 에너지 준위가 낮은 쪽으로 물체를 끌어 당기는 형태의 힘, 즉 복원력(Restoring force)이 작용할 때에 존재한다. 예를 들면, 용수철이 왼쪽으로 늘어나면 원래의 늘어나지 않은 상태로 돌아가려는 힘이 오른쪽으로 작용하게 된다. 이와 유사하게, 어떤 질량이 지면에서 들어올려질 경우 아래 방향으로 중력이 작용하여 낮은 위치가 되도록 한다. 여기서 처음에 가했던 행동은, 예컨대 질량을 들어올리거나 용수철을 당기려고 할 때는 모두 에너지를 필요로 하게 된다. 질량을 들어올리기 위해 가해준 에너지는 중력장 하의 그 물체의 위치에 저장된다. 용수철을 놓아버리거나 질량을 떨어트렸을 때, 이 저장된 에너지는 복원력에 의해 운동 에너지로 바뀌게 된다. 여기서 복원력은 용수철의 경우에 탄성력이며, 질량의 경우엔 중력이다. 롤러코스터를 생각해보자. 롤러코스트가 경사를 올라가면 위치 에너지를 가지게 되며, 최고점에서의 위치 에너지가 가장 크다. 롤러코스터가 다시 빠른 속도로 내려가면서 위치 에너지는 운동 에너지로 바뀌게 되며, 최저점에서의 운동 에너지가 가장 크다. (마찰로 손실되는 에너지를 무시할 경우, 운동 에너지와 위치 에너지는 에너지 보존의 법칙을 만족한다.)

좀 더 엄밀하게 말하자면 위치 에너지는 상대적인 위치에 따라 물체가 가지는 에너지 간의 차이를 의미하며, 그렇지 않은 경우는 기준점이나 기준면을 정해서 사용한다.

위치 에너지에는 다양한 종류가 있으며, 각각의 위치 에너지에는 각각의 힘이 대응한다. 예를 들면, 탄성력에 대해 한 일은 탄성 위치 에너지이며, 중력의 경우 중력 위치 에너지, 전기력(Coulomb force)의 경우는 전기 위치 에너지, 바리온 입자가 강한 핵력(강력)이나 약한 핵력(약력)에 대해 한 일은 핵 위치 에너지, 분자력에 대한 일은 분자 간 위치 에너지라고 한다. 또한 화석 연료 따위에 저장된 에너지를 일컫는 화학 위치 에너지는 분자 내부의 재배열 과정 중에 전기력에 대해 한 일이 된다.

힘점에 의한 운동

천문학이나 미시물리학에서는 불특정 힘원점에 대해 에너지를 기술해야 한다. 이때는 위치 에너지의 기준을 정할 수가 없기 때문에 무한 원점을 위치 에너지 기준면으로 삼는다.