Energía potencial: qué es y por qué es importante (con fórmula y ejemplos)

Todos los estudiantes de física tienen potencial, es decir, energía potencial. Pero aquellos que se tomen el tiempo para determinar lo que eso significa en términos de física tendránmás potencialafectar al mundo que los rodea que a los que no lo hacen. Como mínimo, podrán responder a sabiendas a un adulto molesto con una broma de un meme de Internet: "No soy un vago, estoy desbordado de energía potencial".

El concepto de energía potencial puede parecer confuso al principio. Pero, en resumen, puede pensar en la energía potencial como energía almacenada. Tiene elpotencialpara transformarse en movimiento y hacer que algo suceda, como una batería que aún no está conectada o un plato de espaguetis que un corredor está a punto de comerse la noche anterior a la carrera.

La energía potencial es una de las tres amplias categorías de energía que se encuentran en el universo. Las otras dos son la energía cinética, que es la energía del movimiento, y la energía térmica, que es un tipo especial de energía cinética no reutilizable.

Sin energía potencial, no se podría ahorrar energía para su uso posterior. Afortunadamente, existe una gran cantidad de energía potencial y se está convirtiendo constantemente entre ella y la energía cinética, lo que hace que sucedan cosas.

Con cada transformación, algo de energía potencial y cinética se transforma en energía térmica, también conocida como calor. Eventualmente, toda la energía del universo se convertirá en energía térmica y experimentará una "muerte por calor", cuando ya no exista energía potencial. Pero hasta ese lejano futuro, la energía potencial mantendrá abiertas las posibilidades de acción.

La unidad SI para energía potencial, y cualquier cantidad de energía para el caso, es el joule, donde 1 joule = 1 (newton) (metro).

Hay muchos tipos de energía potencial. Entre estas formas de energía se encuentran:

​Energía potencial mecánica:También conocida como energía potencial gravitacional, o GPE, se refiere a la energía almacenada por unla posición del objeto en relación con un campo gravitacional, como el que se encuentra cerca de la superficie de la Tierra​.

Por ejemplo, un libro colocado en la parte superior de un estante tiene el potencial de caerse debido a la fuerza de la gravedad. Cuanto más alto está en relación con el suelo, y por lo tanto en relación con la Tierra, la fuente del campo gravitacional, más larga es la caída que tiene el potencial de atravesar. Más sobre esto más adelante.

​Energía potencial química:La energía almacenada en enlaces moleculares es energía química. Puede liberarse y transformarse en energía cinética rompiendo enlaces.Por lo tanto, cuantos más enlaces haya en una molécula, más energía potencial contiene.​

Por ejemplo, al ingerir alimentos, el proceso de digestión descompone moléculas de grasas, proteínas, carbohidratos o aminoácidos para que el cuerpo pueda usar esa energía para moverse. Debido a que las grasas son las más largas de las moléculas con más enlaces entre los átomos, almacenan la mayor cantidad de energía.

Del mismo modo, los troncos utilizados en una fogata contienen energía potencial química que se libera cuando se queman y se rompen los enlaces entre las moléculas de la madera. Todo lo que requiera una reacción química para "funcionar", incluido el uso de baterías o la quema de gasolina en un automóvil, contiene energía química potencial.

​Energía potencial elástica:Esta forma de energía potencial es la energía almacenada en la deformación de un objeto de su forma normal. Cuando un objeto se estira o se comprime de su forma original, digamos que se saca una banda elástica o se sujeta un resorte en una bobina apretada, tiene lapotencialpara saltar o rebotar cuando se suelta. O bien, se presiona un cojín de sofá blando con la huella de alguien sentado en él para que, cuando se ponga de pie, la huella se eleve lentamente hasta que el sofá se vea como antes de sentarse.

​Energía potencial nuclear:Las fuerzas nucleares que mantienen unidos a los átomos almacenan una gran cantidad de energía potencial. Por ejemplo, la fuerte fuerza nuclear dentro de un núcleo que mantiene a los protones y neutrones en su lugar. Por eso es tan difícil dividir átomos, un proceso que solo ocurre en reactores nucleares, aceleradores de partículas, centros de estrellas u otras situaciones de alta energía.

No debe confundirse con la energía potencial química, la energía potencial nuclear se almacenadentro de los átomos individuales. Como su nombre lo indica, las bombas atómicas representan uno de los usos más agresivos de la energía potencial nuclear por parte de la humanidad.

​Energia potencial electrica:Esta energía se almacena manteniendo las cargas eléctricas en una configuración particular. Por ejemplo, cuando un suéter que tiene muchas cargas negativas acumuladas se acerca a un objeto positivo o neutral, tiene lapotencialpara causar movimiento al atraer cargas positivas y repeler otras cargas negativas.

Cualquier partícula cargada que se mantenga en su lugar en un campo eléctrico también tiene energía potencial eléctrica. Este ejemplo es análogo a la energía potencial gravitacional en que la posición de la carga en relación con el campo eléctrico es lo que determina su cantidad de energía potencial, al igual que la posición de un objeto en relación con el campo gravitacional determina su GPE.

La energía potencial gravitacional, o GPE, es uno de los pocos tipos de energía para los que los estudiantes de física de secundaria suelen realizar cálculos (otros son energía cinética lineal y rotacional). Es el resultado de la fuerza gravitacional. Las variables que afectan la cantidad de GPE que tiene un objeto son la masametro,la aceleración debida a la gravedadgramoy alturah.​

Donde GPE se mide en julios (J), masa en kilogramos (kg), aceleración debida a la gravedad en metros por segundo por segundo (m / s²) y altura en metros (m).

Tenga en cuenta que en la Tierra,gramose trata como siempre igual a 9,8 m / s². En otros lugares donde la Tierra no es la fuente local de aceleración gravitacional, como en otros planetas,gramotiene otros valores.

La fórmula de GPE implica que cuanto más masivo es un objeto o cuanto más alto se coloca, más energía potencial contiene. Esto, a su vez, explica por qué un centavo que se cae desde lo alto de un edificio irá mucho más rápido en la parte inferior que uno que se caiga del bolsillo de una persona justo encima de la acera. (Esto también es una ilustración de la conservación de la energía: cuando el objeto cae, su energía potencial disminuye, por lo que su energía cinética debe aumentar en la misma cantidad para que la energía total permanezca constante.)

Comenzar a una altura más alta significa que el centavo acelerará hacia abajo en una distancia más larga, lo que dará como resultado una velocidad más rápida al final del viaje. O, para seguir avanzando en una distancia más larga, el centavo en el techo debe haber comenzado con más energía potencial, que cuantifica la fórmula GPE.

Clasifique los siguientes objetos de mayor a menor energía potencial gravitacional:

• Una mujer de 50 kg en lo alto de una escalera de 3 m
• Una caja móvil de 30 kg en la parte superior de un rellano de 10 m
• Una barra de 250 kg sostenida a 0,5 m por encima de la cabeza de un levantador de pesas

Para compararlos, calcule GPE para cada situación usando la fórmula GPE = mgh.

• Mujer GPE = (55 kg) (9,8 m / s²) (3 m) = 1.617 J
• Caja móvil GPE = (30 kg) (9,8 m / s²) (10 m) = 2940 J
• GPE con barra = (250 kg) (9,8 m / s²) (0,5 m) = 1470 J
  

Entonces, de mayor a menor GPE, el orden es: caja en movimiento, mujer, barra.

Tenga en cuenta que, matemáticamente, dado que todos los objetos estaban en la Tierra y tenían el mismo valor paragramo, dejar ese número aún resultaría en el orden correcto (pero hacerlono¡Indique las cantidades reales de energía en julios!).

Considere en cambio que la caja en movimiento estaba en Marte en lugar de en la Tierra. En Marte, la aceleración debida a la gravedad es aproximadamente un tercio de la de la Tierra. Eso significa que la caja en movimiento tendría aproximadamente un tercio de la cantidad de GPE en Marte a 10 m de altura, o 980 J.