¿Sabes qué es la energía potencial y qué tipos existen? Leyendo este artículo podrás entenderlo a través de ejemplo sencillos y comunes.
Qué es la energía potencial
Es posible que un objeto almacene energía como resultado de su posición. Por ejemplo, la bola pesada de una máquina de demolición está almacenando energía cuando se mantiene en una posición elevada. Esta energía almacenada de posición se conoce como energía potencial.
De manera similar, un arco dibujado puede almacenar energía como resultado de su posición. Cuando se asume su posición habitual (es decir, cuando no se dibuja), no hay energía almacenada en el arco. Sin embargo, cuando su posición se altera desde su posición de equilibrio habitual, el arco es capaz de almacenar energía en virtud de su posición.
Esta energía almacenada de posición se conoce como energía potencial. Entonces, la energía potencial (EP) es la energía almacenada de la posición que posee un objeto.
Existen varias formas de energía pueden agruparse en este tipo de energía. A cada una de ellas se le asocia con un tipo particular de fuerza que actúa en conjunto con alguna propiedad física de la materia (masa, carga, elasticidad, temperatura, etc).
A continuación veremos dos de los principales tipos: la energía potencial gravitacional y la elástica.
Gravitacional/Gravitatoria
La energía potencial gravitacional es la energía almacenada en un objeto como resultado de su posición vertical, es decir, de su altura. La energía se almacena como resultado de la atracción gravitacional de la Tierra por el objeto.
Por ejemplo, la EP gravitatoria de la bola masiva de una máquina de demolición depende de dos variables: la masa de la bola y la altura a la que se eleva.
Existe una relación directa entre la energía potencial gravitatoria y la masa de un objeto. Los objetos más masivos tienen mayor energía potencial gravitatoria.
También existe una relación directa entre la energía potencial gravitatoria y la altura de un objeto. Cuanto más alto es un objeto elevado, mayor es la energía potencial gravitatoria.
Estas relaciones se expresan mediante la siguiente ecuación:
PE= m*g*h
En esta ecuación las variables representan a:
m = masa del objeto
h = altura del objeto
g = intensidad del campo gravitatorio (9.8 N / kg en la Tierra), a veces denominada la aceleración de la gravedad.
Cómo se determina
Para determinarla, primero se debe asignar arbitrariamente una posición de altura cero. Normalmente, el suelo se considera una posición de altura cero.
Si el tablero de la mesa es la posición cero, entonces la EP de un objeto se basa en su altura en relación con el tablero de la mesa.
Por ejemplo, un péndulo que se balancea hacia y desde arriba de la mesa tiene una EP que se puede medir según su altura sobre la mesa.
Dado que la energía potencial gravitatoria de un objeto es directamente proporcional a su altura sobre la posición cero, una duplicación de la altura resultará en una duplicación de la energía potencial gravitatoria. Una triplicación de la altura resultará en una triplicación de la energía potencial gravitatoria.
Ejemplo:
Pensemos en un libro colocado sobre una mesa. Para levantar el libro del piso a la mesa, se debe trabajar y se debe suministrar energía.
Suponiendo una eficiencia perfecta (sin pérdidas de energía), la energía suministrada para levantar el libro es exactamente lo mismo que el aumento en la energía potencial gravitatoria del libro.
La energía potencial del libro puede liberarse derribándolo de la mesa. A medida que el libro cae, su EP se convierte en energía cinética. Cuando el libro toca el suelo, esta energía cinética se convierte en calor y sonido por el impacto.
Elástica
La segunda forma de EP que vamos a analizar es la energía potencial elástica. La energía potencial elástica es la energía almacenada en los materiales elásticos como resultado de su estiramiento o compresión.
Este tipo de energía se puede almacenar en bandas elásticas, cuerdas elásticas, trampolines, resortes, una flecha dibujada en un arco, etc.
La cantidad de EP elástica almacenada en dicho dispositivo está relacionada con la cantidad de estiramiento del dispositivo: cuanto más estiramiento, la energía más almacenada.
El resorte: el mejor ejemplo
Los resortes son una instancia especial de un dispositivo que puede almacenar EP elástica debido a la compresión o al estiramiento.
Se requiere una fuerza para comprimir un resorte. Cuanta más compresión haya, más fuerza se requiere para comprimirla aún más.
Para ciertos resortes, la cantidad de fuerza es directamente proporcional a la cantidad de estiramiento o compresión (x). La constante de proporcionalidad se conoce como la constante de resorte (k).
F = k * x
Si un resorte no está estirado o comprimido, entonces no hay EP elástica almacenada en él. Se dice que el resorte está en su posición de equilibrio.
La posición de equilibrio es la posición que el resorte asume naturalmente cuando no se le aplica ninguna fuerza. En términos de energía potencial, la posición de equilibrio podría denominarse posición de energía de potencial cero.
Existe una ecuación especial para resortes que relaciona la cantidad de EP elástica con la cantidad de estiramiento (o compresión) y la constante del resorte. La ecuación es:
EPe= 0.5kx2
En la ecuación:
k es constante elástica
x es cantidad de compresión
En resumen y en palabras sencillas, la EP es la energía que se almacena en un objeto debido a su posición relativa a alguna posición cero.
Un objeto posee EP gravitatoria si se coloca a una altura por encima (o por debajo) de la altura cero. Mientras que un objeto posee EP elástica si está en una posición en un medio elástico distinto de la posición de equilibrio.