势能的应用浅析

4势能的应用浅析
对于势能的应用，一直从古代沿至今天。

在中国文化传统中，有许多文论是关于“势”的，与现代物理中的“位能”或是“势能”在一定程度上是相通的，而且“势”的概念在中国古代文艺传统中已经存在两千多年，在艺术领域中发挥着举足轻重的作用[24]。

但是，由于古代技术的有限，势能的发展受到限制，近年来，随着科技的发展，社会的进步，对于势能的研究也取得了很大的成效，使得势能应用逐渐融入到人们的生活，工作之中，给人们带来了很大的方便；而势能在能源方面的贡献最为显著。

下面就来具体讨论一下势能的应用。

4.1非自然势能发电
（1）三峡水利发电站就是利用大坝将水高高蓄起，然后水在大坝处飞泻而下，带动发电机。

虽然经过一系列复杂的转换，但是其电能的根本来源是水的重力势能。

（2）重力灯
重力灯是英国发明的，利用重力发电。

它的工作原理是通过悬挂着的重物来产生动力。

重力灯下端配备有一个绳子，使用者只需把悬挂在绳子末端的重物提至顶端，这款环保灯就能够把重物向下滑落的重力转化为电能。

这种灯只要在有地球引力的地方都可以使用，并且能持续照明30分钟左右。

也因此重力势能被称为“可再生能源”，不管是白天还是黑夜；刮风还是下雨都可以获得重力势能，进而就可以使用重力灯。

（3）利用势能为自动扶梯节能
自动扶梯是一种很常见的便利设施，但是其耗电量相当的大，而利用势能可以节省自动扶梯的耗电量。

自动扶梯的上行和下行是独立运行的，这样在下行的过程中的重力势能就完全浪费了，而且还要能量来控制下行势能。

这样就更加大了用电量。

为了节约电，将原来提供下行电能的电机去掉，通过联轴器和换向器将上行和下行扶梯连接起来，变成由同一台主机驱动的系统。

这样就大大减小了电机的输出功率，从而达到了省电的目的，同时还可以减少电机的维护费用。

自动扶梯的安全性能也没有发生变化。

利用势能使自动扶梯节电的方式，既节约了能源，缓解能源不足的压力，又带来了很好的经济效益[25]。

（4）势能在水循环系统的应用
如下图所示为势能转换装置工作原理图：
图4.1-1势能转换装置工作原理图
在设计循环水系统时，根据所有用水设备开启时满负荷状态时的用水量，管阻，水流量，扬程等条件来选择水泵。

而实际工作时，多数用水设备不是同时开启的，即使同时开启，也不是满负荷状态，因此，就会造成电动机的“大马拉小车”现象，即能源的浪费。

为了减少这种不必要的浪费，在循环水系统中引入例如势能转换节电装置。

利用势能转换节电装置，将循环水由房顶的冷却塔到水泵进口的高度形成的重力势能转化为动能，达到节能的目的。

4.2最小势能原理的应用
（1）最小势能原理：正当一个力学体系处于稳定平衡时，势能为极小值，这称为最小势能原理[27]。

也可以说是当一个体系的势能为最小时，整个体系处于稳定平衡状态。

最小势能原理只适用于物体在给定条件下处于稳定平衡状态的情况[26]。

（2）最小势能原理的应用
最小势能原理是物理学中一个很重要的原理，在材料力学和弹性力学中有广泛的应用，通过合理的构建物理模型，寻找系统的能量关系和平衡态的特点，再利用最小势能原理,我们可以解决物理中的一些疑难问题，甚至可以解决一些数学难题。

如：利用最小势能原理在边坡稳定性问题中的分析，最小势能原理在钢架稳定问题中的应用[28]。

还有混合变量的最小势能原理，应用混合变量的最小势能原理解决悬臂弹性矩形板的稳定问题。

另外应用大挠度弯曲直梁混合变量最小
势能原理，可以求解两端固定的大挠度柱面弯曲板条的轴向挠度分布和轴向弯矩分布的问题。

许多实例表明，最小势能原理对现代的建筑和桥梁中的受压构件的稳定设计和计算带来了很大的便利，提供了一个简单有效的方法。

4.3势能增氧生物控藻技术
势能增氧生物控藻技术[5]是由势能增氧生态床和循环系统组成。

随着全球富营养化日渐加剧，导致水中藻类迅速大量的繁殖，加速了水体的恶化，进而导致食物链被破坏，影响生态平衡，危害人类的健康和正常生活。

故而，采用势能增氧生物控藻技术来改善水体环境。

如下图所示：
图4.3-1势能增氧生态床示意图
利用水流势能对大气进行复氧，增加水中氧气的浓度，创造良好的氧环境，便于降解有机污染物。

同时，使食物链中，藻类的上一营养级创造好氧环境，使其大量繁殖，吃掉藻类，恢复食物链的，恢复局部生态平衡[29]。

势能增氧生物控藻技术是一种高效率，低消耗，可持续恢复生态的生物控藻技术。

对于人类生活和社会环境都有很大的帮助。

势能还有其他方面的很多应用，随着人们生活水平质量的提高，人们对技术的要求也越来越高，而势能的发展和利用给人们带来了越来越多的好处，且势能具有环保优势，占地少，不消耗能源和不排放污染；势能发电不会因季风和气候的变化影响，更使电能运行设备最大化发挥等特点，使得更多的人开始关注对于势能的研究开发和利用。

势能应用的关键就在于将势能转化为其他形式的能量，便于直接利用。

众多科学家和研究工作者对于势能的研究，现如今势能已经应用于很多重要的领域。

5小结
本文首先从保守力做功引入了势能的概念，并分析了经典力学中、静电场中以及在谐振系统中势能的引入、求解方法及其势能的表达方式。

然后总结了势能求解的普遍方法。

最后文章简单介绍了势能的几种应用。

让更多的人对势能有更加全面深入的了解。

注释：
[1]保守力：如果力沿着闭合回路做功为零，则这个力就叫做保守力。

[2]势能零点：势能为零的点。

也有零势能面，如静电场中的等势面可以选取其
中的一个定为零势能面。

[3]静电场力做功：静电场力做功可以类比重力场中重力做功与高度差之间的关
系，是静电场力做功与电势差的关系。

[4]简谐振动：物体在与偏离平衡位置的位移大小成正比，且总指向平衡位置的
恢复力作用下振动，就是简谐振动，也可以理解为物体或是物体的某一部分在某一中心位置两侧做往复运动。

[5]势能增氧生物控藻技术：由大量有机污染物的进入湖泊，使水中的DO浓度下
降，使得以藻类为食物的轮虫，甲壳类生物的生长，数量大大减少，而藻类是正常生长，这样就会形成恶性循环。

因此为了加快氧气进入水中，利用重力作用，水由高处向低处流的的特性，即重力势能的特性，增加水中的氧气浓度，改善水的氧环境。

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