Significado de energía potencial Definición, tipos, y ejemplos
Licenciada en Física
Definición formal
La energía potencial de un objeto es la capacidad que tiene de hacer trabajo, gracias a su configuración. Por ejemplo, un cuerpo situado en reposo a cierta altura, dispone de energía potencial gravitatoria, debido al efecto combinado de la altura y el peso. Y esta energía, que permanece allí latente, puede transformarse en movimiento si el objeto cae.
Hay diversos tipos de energía potencial, ya que el trabajo llevado a cabo por las fuerzas modifica los cuerpos. Así, el objeto situado en lo alto, almacenó el trabajo que una fuerza de igual o mayor magnitud a su peso, realizó para cambiar su altura.
Si, en cambio, la fuerza aplicada deformó elásticamente al cuerpo, o conformó un sistema de cargas eléctricas ubicadas en determinada posición, se habla de energía potencial elástica y energía potencial eléctrica respectivamente.
Sin importar su origen, la energía potencial se puede medir en joules o julios (J). Esta es la unidad del Sistema Internacional de Unidades SI, pero hay otras que son propias de diferentes áreas de la ciencia y la ingeniería, como la caloría, el kilovatio-hora y el electrón-voltio.
Un joule equivale a al trabajo realizado por una fuerza de 1 newton, actuando sobre un cuerpo que se mueve 1 metro, y en la misma dirección del desplazamiento. Por lo tanto:
1 J = 1 N∙m
Tipos de energía potencial
Energía potencial gravitatoria
Es la que tiene un objeto en virtud de su altura sobre un nivel de referencia y se calcula multiplicando su peso por dicha altura.
Dado que el peso P del objeto tiene magnitud P = m∙g, si la altura es h, la energía potencial gravitatoria U, en puntos cercanos al suelo, es:
U = m∙g∙h
Energía potencial elástica
Un objeto elástico o un resorte se deforman gracias al trabajo de alguna fuerza. Este trabajo es liberado cuando el cuerpo regresa a sus dimensiones originales, siendo capaz de impulsar a otro objeto.
Si se estira o se encoge un resorte, la energía potencial depende de la naturaleza del resorte y de cuánto se comprimió o estiró.
Partiendo de la ley de Hooke, válida para deformaciones pequeñas, y llamando “x” a la deformación, la energía potencial elástica U se calcula mediante:
\(U=\frac{1}{2}k{{x}^{2}}\)
Donde k es la constante propia de cada resorte, dada en unidades de fuerza /longitud. Resortes rígidos tienen k grande, y resortes blandos, una k pequeña.
Energía potencial eléctrica
Las cargas eléctricas están sujetas a la ley de Coulomb, y poseen energía potencial eléctrica de acuerdo a su disposición o configuración. Por ejemplo, un sistema que consta de dos cargas puntuales q1 y q2, separadas una distancia r, tiene una energía U que se calcula a través de:
\(U={{k}_{e}}\frac{{{q}_{1}} \cdot {{q}_{2}}}{r}\)
En esta fórmula, ke es la constante electrostática, cuyo valor es aproximadamente
\(9\times {{10}^{9}}\frac{N \cdot {{m}^{2}}}{{{C}^{2}}}\)
Energía potencial química
Los enlaces que unen átomos y moléculas almacenan energía. La energía producida por estos enlaces depende de la naturaleza de la sustancia, y puede transformarse en otros tipos de energía.
Madera, gasolina, carbón y otros combustibles poseen energía química, liberada a través de reacciones como la combustión. Asimismo, las baterías o pilas tienen energía química, capaz de transformarse en energía eléctrica.
Energía potencial nuclear
En el núcleo del átomo hay fuerzas que se ocupan de mantenerlo cohesionado, venciendo a la natural repulsión electrostática entre los protones. Por lo tanto, fisionando el núcleo atómico, es decir, dividiéndolo de manera controlada, se puede liberar una gran cantidad de energía y transformarla posteriormente en calor y electricidad.
Ejemplos de energía potencial
La energía potencial se hace presente en todas partes: desde juegos hasta la cocina, pasando por autos, trenes y aparatos eléctricos.
Un niño en lo alto de un tobogán
Justo antes de deslizar, un niño detenido en lo alto de un tobogán tiene energía potencial gravitatoria, y mientras va deslizando, esta energía se transforma en movimiento y también en otras clases de energía, como calor por fricción y energía sonora.
Cuanto más alto esté el niño, mayor su energía potencial gravitatoria, pero cuando llega al suelo, se ha transformado casi toda en energía cinética o de movimiento.
Combustibles fósiles
La gasolina, el gas natural, así como el carbón, tienen energía química en sus moléculas. Al quemar estas sustancias, la energía se libera para impulsar el motor de un auto, una turbina o simplemente generar calor para cocinar y calentar los hogares.
Bandas y gomas elásticas
Es posible proyectar un objeto a una cierta distancia mediante una goma estirada. Cuanto más tensa esté, mayor es el impulso conferido. Esto se debe a que la energía potencial elástica aumenta con la elongación del objeto.
Baterías y pilas
Las reacciones químicas que tienen lugar dentro de la batería son capaces de crear un flujo estable de carga eléctrica, es decir, una corriente, que a su vez puede accionar un dispositivo o un juguete.
Arco y flecha
Los cazadores primitivos se servían del arco para impulsar una flecha a gran velocidad hacia su presa. Al tensar el arco, la energía potencial elástica se transfiere a la flecha, convirtiéndola en un proyectil.
Centrales nucleares
En estas instalaciones, los núcleos de ciertos átomos se fisionan controladamente, produciendo así energía eléctrica.
Automóvil estacionado en pendiente
Un auto en reposo sobre una cuesta tiene energía potencial gravitatoria. Si por alguna razón falla el freno de mano o la caja de velocidades, el automóvil rueda cuesta abajo con gran rapidez.
Suspensión automotriz
El sistema de suspensión hace uso de elementos elásticos como resortes helicoidales, ballestas y más, que se deforman y transforman la energía de movimiento en energía potencial elástica, procurando liberarla sin perturbar a los pasajeros o al resto de la maquinaria.
Trabajo publicado en: Jul., 2021.
