Нет. Не может. Потенциальная энергия – это вовсе не всё, что угодно – что "берётся относительно какого-то уровня".
[1] Чтобы понять ответ на ваш вопрос (а он хороший и глубокий), нужно понять саму философию введения понятия потенциальной энергии. Отправная точка в рассуждениях – название (!) этого понятия. "Потенциальная" – т.е. что-то, что имеется в потенциале, но ещё не реализовано.
Например – мяч лежит на балконе какого-то этажа в совершеннейшем покое, но если он упадёт на землю с балкона – он наберёт какую-то кинетическую энергию. И вот это-то значение кинетической энергии в гипотетическом (потенциальном) будущем – и называется потенциальной энергией мяча в тот момент, когда он ещё никуда не упал, а только имеет такую гипотетическую (потенциальную) возможность...
Если мяч упадёт не на землю, а в котлован, т.е. на более низкий уровень – то он наберёт бóльшую кинетическую энергию, а значит, его потенциальная энергия, рассчитанная относительно дна котлована должна быть больше. Но это – частный случай, не имеющий отношения к пружине. О пружине – смотрите пункт [6].
[2] Потенциальная энергия в консервативном гравитационном поле, рассчитываемая по формуле mgh – действительно зависит от точки отсчёта и можно точку отсчёта выбрать так (выше балкона), что потенциальная энергия мяча на балконе в гравитационном поле станет меньше нуля.
С точки зрения самого понятия потенциальной энергии – это будет несколько странно, тогда получается, что при падении на нулевой уровень мяч набрал бы отрицательную кинетическую энергию, но кинетическая энергия не может быть отрицательной! Но это просто означает то, что мяч с более низкой точки в более высокую точку и не полетит.
[3] Важно понимать, что потенциальная энергия это не "формула" mgh, а физическое понятие, описанное выше в формулировке [1]. В самом широком спектре разделов физики и в самых разных задачах возникает необходимость введения понятия потенциальной энергии, и в разных ситуациях – для потенциальной энергии используются различные формулы.
Да, собственно, и гравитационная потенциальная энергия должна рассчитываться по формуле U = -GM/R, как она и рассчитывается при вычислении орбит спутников, движении планет и звёзд. Выражение mgh для потенциальной энергии гравитационного поля – это приближённая формула, которой можно пользоваться только у поверхности Земли.
[4] Вообще говоря, потенциальная энергия – это не что иное, как учёт работы в системе полей или сил. В примере с мячом из пунктов [1] и [2], например, его начальная кинетическая энергия была равна нулю, а когда он подлетал к земле – она имела некоторое приличное значение. Откуда взялась эта кинетическая энергия?
Она взялась из-за работы силы тяготения. Можно считать работу силы тяжести, а можно просто ввести новое понятие – ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, и больше не подсчитывать каждый раз такую работу, а пользоваться однотипной формулой, в которой уже всё учтено. Из того же примера с мячом, который лежит на балконе видно, что в формулу потенциальной энергии обязательно должна входить координата, поскольку именно положение тела определяет его потенциальную энергию в той или иной ситуации.
[5] Итак, на примере с мячом в гравитационном поле, мы выяснили, что для мяча найдутся координаты, в которых он имеет положительную потенциальную энергию – вследствие чего он "потенциально" может упасть на землю и "реализовать эту потенциальную энергию", переведя её в форму кинетической. Так же понятно, что если у мяча потенциальная энергия равна нулю – т.е. он лежит на земле, то он и не может набрать никакой кинетической энергии.
Если же мяч лежит в котловане (в яме), то упав на землю (!) – он не может набрать никакой кинетической энергии, потому что это вообще бессмысленная постановка вопроса – мяч из ямы не может упасть на поверхность земли – это абсурд. Именно в этой ситуации потенциальная энергия в поле гравитации – отрицательна.
[6] В случае с пружиной всё совсем не так. Если пружина не деформирована, то её потенциальная энергия равна нулю, это означает, что если грузик на пружине в состоянии равновесия предоставить самому себе – он не наберёт никакую скорость и никакую кинетическую энергию. Если же пружина деформирована, то при отпускании грузика на такой пружине – грузик устремится к равновесию и наберёт в точке равновесия определённую скорость и будет иметь кинетическую энергию, которая перейдёт в эту форму из потенциальной.
Причем, важно понимать (!), что безразлично как деформирована пружина, сжимаем мы её или растягиваем – грузик на пружине всё равно будет устремляться к точке равновесия и набирать скорость, а значит и кинетическую энергию, которая будет появляться из потенциальной энергии деформации пружины. Т.е. потенциальная энергия пружины при любом деформации: и при сжатии, и при растяжении – положительна!
Stepanovich_Makarov
13.10.2021
1.якщо на тіло нічого не діє, то воно (спокій або прямолінійний рівномірний рух) 2.як буде рухатись тіло, якщо дія на нього інших тіл не скомпенсована? (швидкість тіла змінюється за числом чи напрямом, або одночасно) 3.чи можна вважати рух місяця навколо землі рухом за інерцією? (ні, зміна швидкості на напрямом) 4.людина стоїть на нерухомому човні, кинула на берег важкий рюкзак.. що і чому відбудеться з човном? (човен відійде від берега, при взаємодії змінюється швидкість). 5.пояснити суть інертності тіла. (для зміни швидкості потрібний певний час) 6.пояснити твердження "маса тіла – фізична величина, яка є мірою інертності тіла.” (чим більша маса тіла, тім більше часу потрібно для зміни його швидкості) 7.як маси взаємодіючих тіл пов’язані з їхніми швидкостями? (відношення мас = оберненому відношенню змін їх швидкостей) 8.пояснити, що таке сила в 1 н. (це сила, яка, діючи на тіло масою 1 кг протягом 1с, змінює його швидкість на 1 м/с) 9.за яких умов дві сили зрівноважують одна одну? (якщо вони рівні за значенням, протилежні за напрямом і прикладені до одного тіла) 10.чому гілка, на якій висить яблуко, після його відділення від гілки, відгинається в бік протилежний до руху яблука? (під дією яблука гілка прогинається, виникає протидія, яка повертає гілку після відокремлення яблука) 11.чим відрізняється сила тяжіння від ваги тіла? (природою, точками прикладання, fт – діє на тіло, p – на опору або підвіс) 12.за рахунок чого людина орієнтує своє тіло в просторі? (вестибулярний апарат) 13.поясніть, як при і динамометра визначити масу тіла. ( m = f/g) 14.пояснити дуже велике значення існування сили тертя спокою. (утримування предметів у руці, тримання цвяхів у дошці, нитки тканини, кріплення деталей машин, ходьба людини) 15.назвати причини виникнення тертя. (нерівність стичних поверхонь, взаємне притягання молекул гладеньких поверхонь) 16.від чого залежить коефіцієнт тертя ковзання? (від матеріалів, з яких виготовлені стичні тіла, від якості обробки стичних поверхонь, від наявності між стичними поверхнями інших речовин) 17.чому пластикову пляшку легко зрушити у воді навіть легким дотиком і важче, коли вона лежить на грунті? (рідке тертя менше) 18.що таке деформація? (зміна форми або об’єму) 19.чому куля, що вилетіла із дула гвинтівки в горизонтальному напрямі, не рухається рівномірно і прямолінійно, хоч за законом інерції вона мала б рухатися саме так? (на неї діють опір повітря і земне тяжіння) 20. назвати силу, яка виконує роботу при переміщенні стрілок механічного годинника. (сила пружності) 21.для чого для завантаження автомашин часто застосовують похилу площину? ("золоте” правило механіки) 22.для піднімання одного і того самого вантажу на однакову висоту використали два важелі однакових розмірів: один сталевий стержень, а другий – сталева труба. чи однаковий при цьому ккд важелів? (сталева труба менша за масою, тому її ккд більший) 23.чому для піднімання з криниці відра з водою використовують нерухомий блок, якщо він не дає виграшу в силі? (дає зміну напряму дії сили) 24.важкі двері дитина може закрити, а відкрити їй буває не під силу? чому? (між стінками рами і дверей діє сила тертя, яка збільшує силу потрібну для відкривання дверей) 25.прості механізми не виграшу в роботі, але для чого їх використовують ? (зміна напряму дії сили і виграш у силі) 26.який найбільший вантаж може підняти людина за нерухомого блоку? (при вертикальному підйомі: вантаж вага якого дорівнює вазі людини; при горизонтальному підйомі: вага вантажу визначається силою рук людини і станом поверхні на якій стоїть людина) 27.яка відмінність в будові ножиць для різання металу і ножиць для різання паперу? (ножиці для металу мають коротші ножі для різання, ніж ручки; для паперу це не обов’язково) 28.навіщо використовують нерухомий блок, якщо він не дає виграшу в силі? (для зміни напряму дії сили) 29.чому ккд механізму не може бути більшим 100 % ? (практично корисна робота завжди менша за повну роботу) 30.який простий механізм покладено в будову сокири? (клин: дві похилі площини) 31.рухомий блок дає виграш у силі? у чому він дає програш? (у відстані, яку проходить по ньому вірьовка) 32.чому дверну ручку кріплять не до середини дверей, а біля їх краю ? (чим більше плече діючої сили, тим меншу силу треьа прикладати) 33.як легше зрушити з місця завантажену підводу: силу до верхньої частини корпусу підводи, чи до верхньої частини колеса? (верхня частина корпуса підводи знаходиться вище верхньої точки колеса, а отже плече діючої сили буде більше, тому варто штовхати у корпус підводи) 34.чому горіходавкою можна роздавити горіх, мале зусилля, а рукою – ні ?
[1] Чтобы понять ответ на ваш вопрос (а он хороший и глубокий), нужно понять саму философию введения понятия потенциальной энергии. Отправная точка в рассуждениях – название (!) этого понятия. "Потенциальная" – т.е. что-то, что имеется в потенциале, но ещё не реализовано.
Например – мяч лежит на балконе какого-то этажа в совершеннейшем покое, но если он упадёт на землю с балкона – он наберёт какую-то кинетическую энергию. И вот это-то значение кинетической энергии в гипотетическом (потенциальном) будущем – и называется потенциальной энергией мяча в тот момент, когда он ещё никуда не упал, а только имеет такую гипотетическую (потенциальную) возможность...
Если мяч упадёт не на землю, а в котлован, т.е. на более низкий уровень – то он наберёт бóльшую кинетическую энергию, а значит, его потенциальная энергия, рассчитанная относительно дна котлована должна быть больше. Но это – частный случай, не имеющий отношения к пружине. О пружине – смотрите пункт [6].
[2] Потенциальная энергия в консервативном гравитационном поле, рассчитываемая по формуле mgh – действительно зависит от точки отсчёта и можно точку отсчёта выбрать так (выше балкона), что потенциальная энергия мяча на балконе в гравитационном поле станет меньше нуля.
С точки зрения самого понятия потенциальной энергии – это будет несколько странно, тогда получается, что при падении на нулевой уровень мяч набрал бы отрицательную кинетическую энергию, но кинетическая энергия не может быть отрицательной! Но это просто означает то, что мяч с более низкой точки в более высокую точку и не полетит.
[3] Важно понимать, что потенциальная энергия это не "формула" mgh, а физическое понятие, описанное выше в формулировке [1]. В самом широком спектре разделов физики и в самых разных задачах возникает необходимость введения понятия потенциальной энергии, и в разных ситуациях – для потенциальной энергии используются различные формулы.
Да, собственно, и гравитационная потенциальная энергия должна рассчитываться по формуле U = -GM/R, как она и рассчитывается при вычислении орбит спутников, движении планет и звёзд. Выражение mgh для потенциальной энергии гравитационного поля – это приближённая формула, которой можно пользоваться только у поверхности Земли.
[4] Вообще говоря, потенциальная энергия – это не что иное, как учёт работы в системе полей или сил. В примере с мячом из пунктов [1] и [2], например, его начальная кинетическая энергия была равна нулю, а когда он подлетал к земле – она имела некоторое приличное значение. Откуда взялась эта кинетическая энергия?
Она взялась из-за работы силы тяготения. Можно считать работу силы тяжести, а можно просто ввести новое понятие – ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ, и больше не подсчитывать каждый раз такую работу, а пользоваться однотипной формулой, в которой уже всё учтено. Из того же примера с мячом, который лежит на балконе видно, что в формулу потенциальной энергии обязательно должна входить координата, поскольку именно положение тела определяет его потенциальную энергию в той или иной ситуации.
[5] Итак, на примере с мячом в гравитационном поле, мы выяснили, что для мяча найдутся координаты, в которых он имеет положительную потенциальную энергию – вследствие чего он "потенциально" может упасть на землю и "реализовать эту потенциальную энергию", переведя её в форму кинетической. Так же понятно, что если у мяча потенциальная энергия равна нулю – т.е. он лежит на земле, то он и не может набрать никакой кинетической энергии.
Если же мяч лежит в котловане (в яме), то упав на землю (!) – он не может набрать никакой кинетической энергии, потому что это вообще бессмысленная постановка вопроса – мяч из ямы не может упасть на поверхность земли – это абсурд. Именно в этой ситуации потенциальная энергия в поле гравитации – отрицательна.
[6] В случае с пружиной всё совсем не так. Если пружина не деформирована, то её потенциальная энергия равна нулю, это означает, что если грузик на пружине в состоянии равновесия предоставить самому себе – он не наберёт никакую скорость и никакую кинетическую энергию. Если же пружина деформирована, то при отпускании грузика на такой пружине – грузик устремится к равновесию и наберёт в точке равновесия определённую скорость и будет иметь кинетическую энергию, которая перейдёт в эту форму из потенциальной.
Причем, важно понимать (!), что безразлично как деформирована пружина, сжимаем мы её или растягиваем – грузик на пружине всё равно будет устремляться к точке равновесия и набирать скорость, а значит и кинетическую энергию, которая будет появляться из потенциальной энергии деформации пружины. Т.е. потенциальная энергия пружины при любом деформации: и при сжатии, и при растяжении – положительна!