Qué es la energia potencial y las fuerzas conservativas (tipos y ejemplos)

¿Qué es la energía potencial?

La energía potencia es la energía mecánica que se asocia a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerza. Esta puede ser gravitatoria, electroestática, entre otras o bien a la existencia de un campo de fuerza en el interior de un cuerpo que es energía elástica.

La energía potencial que posee un cuerpo es la consecuencia de que el sistema de fuerzas que actúa sobre el mismo sea conservativo. 

Esta energía potencial representa la energía “almacenada” en virtud de su posición y/o configuración. Independientemente de la fuerza que la origine y a diferencia de la energía cinética que tiene y que representa su energía debido al movimiento. 

La energía potencial interviene como se ha mencionado en el principio de conservación de la energía y su campo de aplicación es muy general.

Está presente no solo en la física clásica, sino también de la física relativista y física cuántica. El concepto se ha generalizado también a la física de partículas, donde se han llegado a utilizar potenciales complejos con el objeto de incluir también la energía disipada por el sistema.

Energía potencial gravitatoria 

Este tipo de energía potencial puede definirse como la energía que poseen los cuerpos por el hecho de tener masa, y estar situados a una determinada distancia mutua. Esto puede aplicarse al movimiento planetario, en donde la masa mayor es la del Sol, el cual crea un campo de fuerzas gravitatorio que se ejerce sobre las masas menores.

Es decir, los planetas. Al mismo tiempo, los planetas crean campos de fuerza gravitatorios que actúan sobre los cuerpos de masa menor circundantes a ellos, que son los satélites.

En el caso de un péndulo, como ejemplo, cuyo movimiento puede alcanzar una altura medida a partir de su posición más baja. De igual manera se puede comprobar la ley de conservación de la energía.

En los puntos más altos (altura h), donde la energía potencial es máxima, la velocidad del péndulo es nula y el movimiento cambia de sentido. Por otro lado, la posición más baja, será aquella con una mayor energía cinética y velocidad máxima pero con una energía potencial mínima.

Energía potencial elástica

La elasticidad es una propiedad que poseen ciertos materiales por la que, una vez están deformados, estirados o separados de su posición inicial, son capaces de recuperar su estado original o de equilibrio.

Las fuerzas restauradoras responsables de la recuperación son las fuerzas elásticas como en el caso de los muelles. Las tiras de goma o las cuerdas de instrumentos musicales. Muchas máquinas de guerra de la antigüedad utilizaban este tipo de energía para lanzar objetos a distancia como. Por ejemplo, el arco que dispara una flecha, la ballesta o la catapulta.

Se dice que un material es más elástico cuando vuelve a su posición de equilibrio de manera más precisa. Una tira de goma es fácil de estirar, y se retorna de nuevo cerca de su longitud original cuando se libera, pero no es tan elástica como una cuerda de guitarra.

La cuerda de guitarra es más difícil de estirar, pero posee mejor recuperación que la tira de goma, porque retorna a su longitud original de manera más precisa.

Energía potencial electroestática y potencial eléctrico

La variación de la energía potencial representa un trabajo realizado por una fuerza conservativa. Del mismo modo que la fuerza de atracción entre dos masas es conservativa.

También la fuerza eléctrica o fuerza de Coulomb entre dos cargas es conservativa, siendo de repulsión si tienen el mismo signo y de atracción si son de signo opuesto.

Los objetos que se repelen tienen mayor energía potencial cuanto menor es la distancia entre ellos, y si se atraen es mayor su energía potencial cuanto mayor es la distancia entre ellos.

Un ejemplo de la energía potencial electroestática es su aplicación en los condensadores. Un condensador es un dispositivo que es capaz de almacenar energía potencial electroestática, en su interior.

Para almacenar la energía eléctrica, que crea el campo eléctrico, utiliza dos superficies conductoras, que normalmente tienen forma de placas separadas por un material aislante. Estas placas son las que se cargarán eléctricamente cuando se conecte a una fuente de alimentación.

Las dos placas se cargarán con la misma cantidad de carga pero con distintos signos, siendo la magnitud de la carga proporcional a la diferencia de potencial aplicada.

La constante de proporcionalidad entre la carga adquirida por el condensador y la diferencia de potencial alcanzado entre las dos placas se conoce como capacidad del condensador.

Energía potencial química

Es una forma de energía potencial relacionada con la organización estructural de los átomos o moléculas. Esta organización puede ser el resultado de enlaces químicos. La energía química de una sustancia puede ser transformada en otras formas de energía mediante una reacción química. 

Por ejemplo, cuando se quema un combustible, la energía química se convierte en calor, de la misma forma que en el metabolismo de los alimentos en un organismo biológico. Los organismos fotoautótrofos pueden convertir energía solar en química mediante un proceso llamado fotosíntesis.

Fuerza conservativa

En física, un campo de fuerzas es conservativo si el trabajo total realizado por el campo sobre una partícula que realiza un desplazamiento en una trayectoria cerrada es de carácter nulo. El nombre conservativo se debe a que para una fuerza de ese tipo existe una forma especialmente simple de la ley de conservación de la energía.

Las fuerzas que dependen sólo de la posición son típicamente conservativas. Un ejemplo de fuerza conservativa es la fuerza gravitatoria de la mecánica newtoniana.

Las fuerzas dependientes del tiempo o de la velocidad son típicamente no conservativas. La mayoría de sistemas físicos fuera del equilibrio termodinámico son no-conservativos; en ellos la energía se disipa por procesos análogos al rozamiento.

 

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