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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]。

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（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

[28]

架稳定问题中的应用。还有混合变量的最小势能原理，应用混合变量