Cuando alguien levanta una taza de café de la mesa, está trabajandocontra la gravedad.Una vez que la taza ya no está sobre la mesa, sino en el aire, ha almacenado energía potencial. Si lo suelta, se caerá.
La fuerza de gravedad es un ejemplo defuerza conservadora. Otras fuerzas que nos rodean almacenan energía de manera similar en un sistema al mantener los objetos en una configuración particular que resultará en movimiento, transformando la energía almacenada en energía cinética, una vez liberada.
La energía cinética y potencial total de un sistema se denomina energía mecánica total del sistema. La energía total es la suma de la energía mecánica y térmica y otras formas de energía.
TL; DR (demasiado largo; No leí)
Las fuerzas conservadoras dan como resultado energía potencial almacenada.
Definición de una fuerza conservadora
Eche un vistazo a esa taza de café de nuevo. Si la taza se lanza hacia arriba por encima de la cintura de la persona antes de ser atrapada en sus manos a la altura de la cintura, o si simplemente se levanta directamente a la altura de la cintura, la cantidad de energía potencial gravitacional que contiene la copa al final permanece mismo. Tendrá la misma caída si cae desde la altura de la cintura en cualquier caso.
Dicho de otra manera, la cantidad de energía potencial que gana un objeto al experimentar una fuerza conservadora esindependiente de la ruta: depende solo del objetodesplazamiento final (la diferencia entre la posición final y la posición inicial), no la distancia total recorrida. Mientras que en el primer caso la copa viajómás lejos en totaldel punto a al punto b: moverse hacia arriba, detenerse instantáneamente y luego caer hacia las manos que lo atrapó, todavía comenzaba y terminaba en las mismas posiciones que la taza que simplemente se levantó arriba. Eso hace que el cambio total en la energía potencialde la fuerza de la gravedadpara cada taza lo mismo.
Por el contrario, una fuerza no conservadora no produce energía almacenada. En cambio, la energía utilizada por una fuerza no conservadora para hacer el trabajodisipa en el entorno circundante como calor (energía térmica) y no se puede reutilizar.
Otra definición común de una fuerza conservadora es aquella en la que el trabajo neto realizado en una trayectoria cerrada es cero. Un camino cerrado es aquel en el que el objeto comienza y termina en la misma posición (su desplazamiento es cero). Porquetrabajaen física es la fuerzaFactuar sobre un objeto multiplicado por su desplazamientoD
W = Fd
se sigue que si el desplazamiento de un objeto es cero, también lo es el trabajo total. La fuerza que lo movió, entonces, debe haber sido conservadora.
Ejemplos de fuerzas conservadoras
Como la gravedad, otras fuerzas conservadoras provocan un cambio en la posición de un objeto que resulta en energía almacenada. Por ejemplo, la fuerza del resorte en un juguete enrollado como un Slinky o una flecha que se tira hacia atrás en un arco son fuerzas conservadoras, al igual que las electrostáticas. fuerzas que sostienen dos partículas cargadas a cierta distancia una de la otra, o las fuerzas magnéticas que sostienen los polos norte y sur o dos imanes de barra aparte.
Tan pronto como los objetos se "suelten" en cualquiera de estos casos, se moverán. El Slinky aparecerá, la flecha volará hacia el objetivo o las partículas se atraerán o repelerán.
Por qué son importantes las fuerzas conservadoras
Las fuerzas conservadoras permiten que los humanos almacenen energía que luego se puede utilizar para un trabajo útil. Son una fuente de energía reutilizable: un objeto se puede levantar del suelo para que la fuerza gravitacional actúe sobre él una y otra vez, y se puede colocar y soltar un arco y una flecha varias veces.
Por supuesto, en el mundo real, las fuerzas conservadoras no existen de forma aislada. En cada una de las situaciones descritas aquí,algo de energía siempre se disipa como calor por la fuerza de fricción, una fuerza no conservadora, y ya no puede regresar directamente a la energía almacenada en ese sistema.
Las fuerzas conservadoras tampoco son ilimitadas. En algún momento, un resorte estirado alcanzará su límite elástico y se romperá. Una taza de café caída desde demasiado alto se romperá sin posibilidad de reparación. Pero con una sólida comprensión de los límites de estos objetos, un físico o un ingeniero puede fabricar presas, relojes antiguos, baterías de automóviles y una miríada de otros dispositivos que pueden hacer cosas útiles.