Energia potencial

La energía potencial de un cuerpo es un tipo de energía de la que solo están dotados los cuerpos sujetos a la acción de fuerzas conservadoras. Se define de tal manera que el cambio en la energía potencial de un cuerpo coincide con el trabajo cambiado del signo .

La capacidad de efectuar trabajo no sólo la poseen los cuerpos en movimiento, sino también los que están en reposo, bajo determinadas condiciones. El libro que está sobre la mesa, al caer adquiere una velocidad igual a la que debería aplicársele para llevarlo a la altura de la mesa, y por tanto adquiere una energia igual al trabajo necesario para su elevación.

La roca situada en lo alto de la montaña posee una energia un potencia enorme porque son millares de toneladas de peso que adquirirían considerable velocidad si se despeñaran por el barranco.

Energia potencial: definición

La energía oculta que posee un cuerpo en reposo, pero que puede originar un movimiento, se llama energia potencial.

Como el trabajo necesario para elevar un cuerpo de masa m desde un nivel determinado hasta una altura. h es igual al producto de la fuerza, que equivale al peso del cuerpo, por el camino recorrido, resulta que la energia potencial será

Ep = Fh = mgh

dónde g es la aceleración de la gravedad .

Al considerar la energía potencial del libro que tenemos sobre la mesa, hemos tomado como de referencia el suelo, de modo que la energie potencial sería el producto de la masa del libro por la aceleración de la gravedad y por la altura de la mesa.

Ahora bien, si ésta se halla situada en el segundo piso de una casa, ¿a partir de qué nivel debemos medir la altura? ¿Desde el suelo de la habitación? ¿O desde la calle? ¿O desde el centro de la Tierra? Calculamos la energía potencial de un cuerpo respecto a un nivel arbitrario, generalmente el más bajo en que el cuerpo puede situarse. Por esta razón, lo que medimos en realidad son diferencias o cambios de energia potencial entre dos puntos.

Un objeto puede almacenar energía como resultado de su posición. Por ejemplo, la bola pesada de una máquina de demolición almacena energía cuando se mantiene en una posición elevada. Esta energía almacenada de posición se denomina energía potencial. De manera similar, un arco estirado puede almacenar energía como resultado de su posición.

 Al asumir su posición habitual (es decir, cuando no está dibujado), no hay energía almacenada en el arco. Sin embargo, cuando su posición se altera desde su posición de equilibrio habitual, el arco puede almacenar energía en virtud de su posición. Esta energía almacenada de posición se denomina energía potencial. La energía potencial es la energía almacenada de posición que posee un objeto.

Energía potencial gravitacional

Los dos ejemplos anteriores ilustran las dos formas de energía potencial que se analizarán en este curso: energía potencial gravitacional y energía potencial elástica .La energía potencial gravitacional es la energía almacenada en un objeto como resultado de su posición vertical o altura. 

La energía potencial gravitacional de un cuerpo colocado a la altura h corresponde al trabajo realizado por la fuerza del peso cuando el cuerpo cae al nivel de energía potencial cero.

La energía se almacena como resultado de la atracción gravitacional de la Tierra por el objeto. La energía potencial gravitacional 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 gravitacional y la masa de un objeto. Los objetos más masivos tienen mayor energía potencial gravitacional. También existe una relación directa entre la energía potencial gravitacional y la altura de un objeto. Cuanto más alto se eleva un objeto, mayor es la energía potencial gravitacional. Estas relaciones se expresan mediante la siguiente ecuación:

Para determinar la energía potencial gravitacional de un objeto, una posición de altura cero debe

primero ser asignado arbitrariamente. Normalmente, se considera que el suelo es una posición de altura cero. Pero esta es simplemente una posición asignada arbitrariamente en la que la mayoría de la gente está de acuerdo. Dado que muchos de nuestros laboratorios se realizan en mesas, a menudo se acostumbra asignar la mesa a la posición de altura cero. 

Nuevamente, esto es simplemente arbitrario. Si la superficie de la mesa está en la posición cero, entonces la energía potencial de un objeto se basa en su altura con respecto a la superficie de la mesa. Por ejemplo, un péndulo que se balancea hacia y desde arriba de la mesa tiene una energía potencial que se puede medir en función de su altura sobre la mesa. Midiendo la masa del bob y la altura del bob sobre la mesa, se puede determinar la energía potencial del bob.

Dado que la energía potencial gravitacional de un objeto es directamente proporcional a su altura por encima de la posición cero, una duplicación de la altura resultará en una duplicación de la energía potencial gravitacional. Si se triplica la altura, se triplicará la energía potencial gravitacional.

Utilice este principio para determinar los espacios en blanco en el siguiente diagrama. Sabiendo que la energía potencial en la parte superior de la plataforma alta es de 50 J, ¿cuál es la energía potencial en las otras posiciones que se muestran en los escalones y la pendiente?

Energía potencial elástica

La segunda forma de energía potencial que discutiremos es la energía potencial elástica. La energía potencial elástica es la energía almacenada en materiales elásticos como resultado de su estiramiento o compresión.

 La energía potencial elástica se puede almacenar en bandas elásticas, cuerdas elásticas, trampolines, resortes, una flecha dibujada en un arco, etc. La cantidad de energía potencial elástica almacenada en un dispositivo de este tipo está relacionada con la cantidad de estiramiento del dispositivo, cuanto más estirar, más energía almacenada.

Los resortes son un ejemplo especial de un dispositivo que puede almacenar energía potencial elástica debido a compresión o estiramiento. Se requiere una fuerza para comprimir un resorte; cuanta más compresión haya, más fuerza se requiere para comprimirlo 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 constante de resorte (k).

x = cantidad de compresión
(relativa a la posición de equilibrio)

En resumen, la energía potencial es la energía que se almacena en un objeto debido a su posición relativa a alguna posición cero. Un objeto posee energía potencial gravitacional si se coloca a una altura por encima (o por debajo) de la altura cero. Un objeto posee energía potencial elástica si se encuentra en una posición sobre un medio elástico diferente a la posición de equilibrio.

Energía potencial química

La forma de energia potencial presente en la materia que depende de la posición de las partículas que componen una sustancia se llama energía química.

La evaluación del potencial químico de una sustancia o de un conjunto de sustancias requiere un análisis exergético que va más allá del potencial de un artículo de este tipo. Baste saber que es posible aplicar formas sofisticadas de análisis para definir cuánto trabajo mecánico se puede obtener a partir de la energía química de una mezcla.

Los combustibles son el mejor ejemplo de energía potencial química. Al quemar un combustible es posible, de hecho, obtener energía térmica y, pasando de un ciclo térmico como el ciclo Rankine o el ciclo Otto, obtener trabajo. 

También es posible obtener electricidad directamente de un combustible gracias a una pila de combustible, transformando así la energia potencial química en trabajo sin pasar por la eficiencia de un ciclo térmico. Otro ejemplo en este sentido son las baterías, en las que la energia potencial química almacenada se puede transformar directamente en energía eléctrica.

Energía potencial nuclear

Otra forma de energia potencial de las partículas es la energía nuclear, es decir, la energía asociada con las fuerzas que mantienen cerca a los protones y neutrones en el núcleo de los átomos. La energía nuclear también es una cantidad que depende de la masa y composición del sistema. Sin embargo, debemos agregar que la energía nuclear de un sistema cambia solo como resultado de reacciones nucleares y por lo tanto permanece constante en las transformaciones físicas y químicas.

En las reacciones nucleares el efecto energético se debe a que una parte de la masa del sistema se transforma en energía según la famosa ecuación de Einstein:

E = m ∙ c ²

Dado que c (la velocidad de la luz) es una constante y es 3 ∙ 10 ⁸ m / s, la cantidad de energía liberada por cada unidad de masa de materia transformada es siempre enormemente mayor que la involucrada en las reacciones químicas.

Energía potencial electrostática

La energía electrostática se define como el trabajo necesario para llevar un sistema de cargas eléctricas, o más generalmente una distribución de carga, a una configuración espacial determinada.

Tomando el ejemplo de un condensador de placas planas tenemos la fórmula que expresa la energía acumulada en él:

Ue = (1/2) ∑q _yo V _yo

Donde q _i es una carga eléctrica y V _i es el potencial eléctrico entre las placas del capacitor.

Un ejemplo en este sentido pueden ser los llamados supercondensadores, dispositivos que permiten la acumulación de grandes cantidades de energia potencial electrostática que pueden transformarse casi instantáneamente en energía eléctrica y, por tanto, en trabajo.