Definición de Energía Potencial
Ingeniera Industrial, MSc en Física, y EdD
1. Capacidad que posee un cuerpo para almacenar energía y posibilidad llevar a cabo un trabajo conforme su posición en el espacio y la influencia de fuerzas conservativas sobre el mismo, configurando las categorías mecánicas de energía gravitacional (en la que la energía responde directamente a la distancia del cuerpo respecto de una referencia.
Por ejemplo, un objeto situado sobre una mesa en relación de su altura respecto del suelo, o el agua contenida por una represa) y elástica (donde el cuerpo puede comprimirse y luego regresar a su estado inicial, por ejemplo, cuando se despliega un arco y flecha, con los brazos extendidos posicionado antes del lanzamiento, con la contención de la energía respecto de una fuerza de presión que, al soltarla, se torna energía cinética en rigor del movimiento).
Etimología: Energía, por el latín tardío energīa, respecto del griego ἐνέργεια (enérgeia).+ Potencial, formado por el latín potentia, que remite a ‘potencia’, y el sufijo -al, como propiedad asociativa.
Cat. gramatical: Sustantivo fem.
En sílabas: e-ner-gia + po-ten-cial.
Energía Potencial
La energía potencial es un componente de la energía mecánica visto en un cuerpo en virtud de su posición con respecto a un nivel de referencia. Puesto que se relaciona con una distancia o separación entre el objeto que posee esta energía, y un sistema considerado como origen, es importante que, al abordar problemas que impliquen el cálculo de energía potencial, especificar respecto a qué punto se asocia.
En las centrales hidroeléctricas, se transforma la energía potencial que posee una masa de agua ubicada a una determinada altura respecto al punto donde se localizan las turbinas hidráulicas, para finalmente convertirla en energía eléctrica a través de un generador.
Al igual que otros tipos de energía, la energía potencial se expresa en el Sistema Internacional de Unidades en Joules o Julio (J), aunque también se puede emplear otro modelo, por ejemplo, la energía expresada en calorías (1 cal = 4,184 J) o ergios (1 erg = 10-7 J) para el sistema cegesimal.
La energía mecánica está formada por la suma de la energía cinética más la energía potencial.
Clasificación de la energía potencial
La energía potencial de un cuerpo puede estar asociada a la altura del cuerpo respecto a un nivel de referencia cuando se encuentra bajo la influencia de un campo gravitatorio (por ejemplo, el terrestre), o a la energía almacenada por un objeto cuando está deformando en cuerpo elástico como un resorte, a cada uno de estos tipos de energía potencia, se les conoce respectivamente como energía potencial gravitatoria y energía potencial elástica.
Energía potencial gravitatoria (Epg): puesto que la energía se define como la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, intuitivamente se puede inferir que si se tiene un objeto a cierta altura respecto al suelo, al dejarlo caer, puede producir un trabajo, por ejemplo, para que un martillo pueda ejercer un trabajo sobre un clavo, debemos levantarlo y hacer que este golpee con fuerza la cabeza del clavo (el trabajo sería el desplazamiento que experimenta el clavo al penetrar la madera). Pues bien, la energía que tienen todos los cuerpos que se encuentran en un campo gravitatorio a cierta altura de un nivel de referencia, es de tipo potencial gravitatoria.
Si un objeto se encuentra a una altura respecto a un nivel de referencia, posee energía potencial gravitatoria.
Para obtener la expresión de la energía potencial gravitatoria, supondremos que una grúa como la que muestra en la imagen sostiene un objeto de masa “m” que se encuentra ubicado a una altura “h” del suelo. Si la tensión que sostiene la carga se parte, la fuerza que queda actuando sobre el objeto (despreciando la resistencia del aire), es la fuerza gravitatoria, y el desplazamiento que recorrería el objeto hasta caer al suelo es “h”. Debido a que la energía es la capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo, se concluye que la energía potencial gravitatoria de objeto que se encuentra localizado a una determinada altura de un punto, es igual al peso por la altura, es decir:
\({E_{pg}} = m \cdot g \cdot h\)
Energía potencial elástica (Epe): es la energía que se almacena en un cuerpo cuando se encuentra deformando algún elemento elástico. La fórmula para calcular este tipo de energía se obtiene a partir del trabajo que ejerce un objeto de masa “m” para comprimir (o elongar) un resorte que posee una constante de elasticidad “k” en una distancia “x”.
El área del triángulo del diagrama de fuerza del resorte (FR) versus la deformación (x), representa el trabajo realizado por el cuerpo para deformarlo, y la energía asociada a este trabajo se denomina energía potencial elástica.
Como se muestra en la imagen, el trabajo realizado por una fuerza variable (como la que ejerce un resorte cuando se deforma), se determina por la integral:
\({W_{Resorte}} = \mathop \smallint \nolimits_{{x_o}}^{{x_f}} ({\vec F_R} \cdot \vec x)dx\)
Debido a que la integral mostrada representa el área bajo la curva en un diagrama que describa la variación de la fuerza de un resorte (FR) en términos de su deformación (x), se observa que esta variación es proporcional a la constante de elasticidad “k”, por lo que el trabajo se calcula mediante el área de un triángulo. Por lo tanto, la energía potencial elástica se asocia con la capacidad que tiene la masa “m” para ejercer un trabajo sobre el resorte:
\({E_{pe}} = \frac{1}{2} \cdot k \cdot {x^2}\)
Donde:
k: constante de elasticidad del resorte (N/m)
x: deformación del resorte (m)
Relación entre las fuerzas conservativas y la energía potencial
Cuando sobre un cuerpo integrante de un sistema sobre el cual actúan únicamente fuerzas de tipo conservativas, es decir, que no disipan energía (como la fricción), el negativo del trabajo realizado por dicha fuerza representa el cambio de energía potencial.
\( – {T_{fuerza\;gravitatoria}} = Δ{E_{pg}} = {E_{pf}} – {E_{pi}}\)
Si suelta una esfera lisa de masa “m” sobre la pista sin fricción, ésta se deslizará por la pista debido a la fuerza gravitatoria. Como no hay presencia de fuerzas disipativas (no conservativas), la energía mecánica del sistema permanece constante.
Siga en Energía Potencial (parte 2)
Art. actualizado: Nov. 2022; sobre el original de noviembre, 2010.
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