La energía potencial suena como si fuera simplemente energía que no se ha actualizado, y pensar en ella de esa manera puede hacer que creas que no es real. Sin embargo, párese debajo de una caja fuerte suspendida a 30 pies sobre el suelo y su opinión podría cambiar. La caja fuerte tiene energía potencial debido a la fuerza de la gravedad, y si alguien cortara la cuerda que la sujeta, esa energía se convertiría en energía cinética, y en el momento en que la caja fuerte llegara a ti, tendría suficiente energía "actualizada" para darte una división dolor de cabeza.
Una mejor definición de energía potencial es energía almacenada, y se necesita "trabajo" para almacenar la energía. La física tiene una definición específica de trabajo: el trabajo se realiza cuando una fuerza mueve un objeto a una distancia. El trabajo está relacionado con la energía. Se mide en julios en el sistema SI, que también son unidades de energía potencial y cinética. Para convertir el trabajo en energía potencial, hay que actuar contra un tipo particular de fuerza, y hay varias. La fuerza puede ser gravitación, un resorte o un campo eléctrico. Las características de la fuerza determinan la cantidad de energía potencial que almacena al trabajar contra ella.
Fórmula de energía potencial para el campo gravitacional de la Tierra
La forma en que funciona la gravitación es que dos cuerpos se atraen entre sí, pero todo en la tierra es tan pequeño en comparación con el planeta mismo que solo el campo gravitacional de la tierra es significativo. Si levanta un cuerpometro) sobre el suelo, ese cuerpo experimenta una fuerza que tiende a hacerlo acelerar hacia el suelo. La magnitud de la fuerza (F), de la segunda ley de Newton, viene dada por F = mg, dónde gramo es la aceleración debida a la gravedad, que es una constante en todas partes de la Tierra.
Suponga que levanta el cuerpo a una altura h. La cantidad de trabajo que realiza para lograr esto es fuerza × distancia, o mgh. Ese trabajo se almacena como energía potencial, por lo que la ecuación de energía potencial para el campo gravitacional de la Tierra es simplemente:
Energía potencial gravitacional = mgh
Energía potencial elástica
Los resortes, las bandas de goma y otros materiales elásticos pueden almacenar energía, que es esencialmente lo que hace cuando tira de un arco justo antes de disparar una flecha. Cuando estira o comprime un resorte, ejerce una fuerza opuesta que actúa para restaurar el resorte a su posición de equilibrio La magnitud de la fuerza es proporcional a la distancia que estira o comprime eso (X). La constante de proporcionalidad (k) es característico de la primavera. Según la ley de Hooke, F = −kx. El signo menos indica la fuerza restauradora del resorte, que actúa en dirección opuesta a la que lo estira o lo comprime.
Para calcular la energía potencial almacenada en un material elástico, debe reconocer que la fuerza aumenta a medida que X aumenta. Sin embargo, para una distancia infinitesimal, F es constante. Sumando las fuerzas de todas las distancias infinitesimales entre 0 (equilibrio) y la extensión o compresión final X, puede calcular el trabajo realizado y la energía almacenada. Este proceso de suma es una técnica matemática llamada integración. Produce la fórmula de energía potencial para un material elástico:
Energía potencial = kx2/2
dónde X es la extensión y k es la constante del resorte.
Potencial o voltaje eléctrico
Considere mover una carga positiva q dentro de un campo eléctrico generado por una carga positiva más grande Q. Debido a las fuerzas eléctricas repulsivas, se necesita trabajo para acercar la carga más pequeña a la más grande. Según la ley de Coulomb, la fuerza entre las cargas en cualquier punto es kqQ/r2, dónde r es la distancia entre ellos. En este caso, k es la constante de Coulomb, no la constante del resorte. Los físicos los denotan a ambos por k. Calcula la energía potencial considerando el trabajo necesario para moverse q desde infinitamente lejos de Q a su distancia r. Esto da la ecuación de energía potencial eléctrica:
Energía potencial eléctrica = kqQ/r
El potencial eléctrico es ligeramente diferente. Es la cantidad de energía almacenada por unidad de carga, y se conoce como voltaje, medida en voltios (julios / culombio). La ecuación para el potencial eléctrico o voltaje generado por la carga. Q A una distancia r es:
Potencial eléctrico = kQ/r
