آیا انرژی پتانسیل جسم همیشه مثبت است؟

راهنمایی کوتاه: نه! انرژی پتانسیل مقدار مطلق ندارد و به «مبدأ» بستگی دارد؛ برای همین می‌تواند مثبت، منفی یا صفر شود.

گام‌به‌گام:

۱. انرژی پتانسیل یعنی انرژی ذخیره‌شده‌ای که به جایگاه جسم نسبت به یک نقطه‌ی مرجع بستگی دارد.

۲. ما همیشه یک «ارتفاع صفر» برای خودمان انتخاب می‌کنیم. در گرانش نزدیک زمین داریم: $U=mgh$؛ اگر جسم پایین‌تر از مبدأ باشد، h منفی است و U هم منفی می‌شود.

۳. برای دو جرم که هم‌دیگر را جذب می‌کنند، صفر را در فاصله‌ی بی‌نهایت می‌گیرند و انرژی به صورت $U=-\frac{G{m}_1{m}_2}{r}$ نوشته می‌شود، پس همیشه منفی است.

۴. در فیزیک آنچه اهمیت دارد «تغییر انرژی پتانسیل» است، نه عدد مطلق آن. وقتی ارتفاع جسم تغییر می‌کند، همین تغییر انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

پاسخ نهایی: پس «انرژی پتانسیل همواره مثبت است» یک جمله‌ی درست نیست. مقدار آن به انتخاب نقطه‌ی مرجع بستگی دارد و می‌تواند مثبت، منفی یا صفر باشد؛ فقط تغییرش در یک مسئله معنای فیزیکی دارد.

مثال مشابه: کتابی روی میز را تصور کن. اگر سطح میز را مبدأ بگیریم، انرژی پتانسیل کتاب صفر است. اگر کف زمین را مبدأ بگیریم، مثبت می‌شود و اگر سقف اتاق را مبدأ بگیریم (کتاب پایین‌تر از سقف است)، انرژی پتانسیل کتاب منفی می‌شود. جسم یکسان است، فقط مبدأ عوض شده است.

اگر می‌خواهی بیشتر یاد بگیری: درباره‌ی «نقطه مرجع» و «پایستگی انرژی» در فصل کار و انرژی مطالعه کن؛ توجه کن که در بعضی فرمول‌ها مانند فنر، انرژی پتانسیل همیشه نامنفی است، ولی این قانون کلی برای همه‌ی انرژی‌های پتانسیل نیست.