En nuestra experiencia diaria entendemos y usamos la palabra energía como algo siempre relacionado con el movimiento. Por ejemplo, para que un coche funcione necesita combustible, para que los seres humanos trabajen y realicen sus tareas diarias que tienen que comer. Aquí asociamos tanto el combustible como los alimentos con la energía. A partir de ahora avanzaremos hacia una definición más precisa de energía.
El movimiento de un automóvil, una persona o cualquier objeto tiene energía, esta energía relacionada con el movimiento se llama energía cinética. Un cuerpo en movimiento, que posee energía cinética, puede trabajar entrando en contacto con otro cuerpo u objeto y transfiriéndole energía.
Sin embargo, un objeto en reposo también puede tener energía, lo que hace que sea insuficiente relacionar el concepto de energía con el movimiento. Por ejemplo, un objeto en reposo a cierta altura del suelo tiene energía. Este objeto, cuando se abandona, inicia un movimiento y aumenta de velocidad con el tiempo, esto ocurre porque la fuerza del peso hace un trabajo y la hace moverse, es decir, adquiere energía cinética. Se dice que un objeto en reposo tiene una energía llamada energía potencial gravitacional, que varía según su altura en relación con el suelo.
Otra forma de energía es la energía potencial elástica, presente en un resorte comprimido o estirado. Cuando comprimimos o estiramos un resorte, realizamos un trabajo para lograr la deformación y podemos observar que, después liberado, el resorte adquiere movimiento - energía cinética - y vuelve a su posición inicial donde no se estiró o comprimido.
Entonces, más específicamente, podemos decir que la energía cinética es la energía o capacidad para realizar trabajo debido al movimiento y esa energía potencial es la energía o capacidad para realizar el trabajo debido a posición.
En mecánica, hay dos formas de energía potencial: una asociada con el trabajo con pesas, llamada energía. potencial gravitacional, y otro relacionado con el trabajo de la fuerza elástica, que es la energía potencial elástico. Ahora estudiemos estas dos formas de energía potencial con más detalle.
1. Energía potencial gravitacional
Es la energía asociada con la posición en la que se encuentra el cuerpo. Mire la figura 1 y considere el cuerpo de masa m inicialmente en reposo en el punto b. El cuerpo está a una altura h en relación con el suelo a. Cuando se abandona del reposo, debido a su masa, la fuerza del peso realiza un trabajo sobre el cuerpo y adquiere energía cinética, es decir, comienza a moverse.
El trabajo que hace el peso de la esfera nos permite medir la energía potencial gravitacional, así que calculemos el trabajo.
Considerando el punto a como punto de referencia, el desplazamiento de b a a está dado por h, el módulo de fuerza peso está dado por P = m.g yo ángulo entre la dirección de aplicación de la fuerza de peso y el desplazamiento α = 0º, ya que ambos están en la misma dirección, basta con aplicar la definición de trabajo (τ):
τ = F.d.cosα
Si F es igual al peso de la fuerza P = mg, el desplazamiento d = hy α = 0º (cos 0º = 1), sustituyendo en la ecuación 1, tendremos:
τ = F.d.cosα
τ = m.g.h.cos 00
τ = m.g.h
Así, la energía que relaciona la posición de un objeto con el suelo, Energía Potencial Gravitacional, se calcula mediante:
YPAG= m.g.h
Ecuación 2: Energía potencial gravitacional
En que:
Ep: energía potencial gravitacional;
g: aceleración gravitacional;
m: masa corporal.
2. Energía potencial elástica
Considere el sistema resorte-masa de la figura 2, donde tenemos un cuerpo con masa m unido a un resorte de constante elástica k. Para deformar el resorte debemos hacer un trabajo, ya que tenemos que empujarlo o estirarlo. Cuando hacemos esto, el resorte adquiere energía potencial elástica y, cuando se suelta, vuelve a su posición inicial, donde no había deformación.
Para obtener la expresión matemática de la energía potencial elástica, debemos proceder de la misma manera que lo hicimos para la energía potencial gravitacional. Luego, obtendremos la expresión de la energía potencial elástica almacenada en un sistema masa-resorte por el trabajo que ejerce la fuerza elástica sobre el bloque.
Cuando el sistema masa-resorte está en el punto A, no hay deformación en el resorte, es decir, no se estira ni se comprime. Así, cuando lo estiramos hasta B, aparece una fuerza, llamada fuerza elástica, que hace que vuelva a A, su posición inicial, cuando se abandona. El módulo de la fuerza elástica ejercida por el resorte sobre el bloque viene dado por la ley de Hooke:
Fel = k.x
Donde Fel indica la fuerza elástica, k es la constante elástica del resorte yx es el valor de la contracción o elongación del resorte.
El trabajo de la fuerza elástica para un desplazamiento d = x viene dado por:
Así, la energía asociada con el trabajo de la fuerza elástica, Energía Potencial Elástica, también viene dada por:
En que:
Anguila: energía potencial elástica;
k: constante de resorte;
x: deformación del resorte.
Se observa que la esfera con masa m suspendida en relación al suelo y el sistema resorte-masa, cuando se estira o comprimidos, tienen la capacidad de trabajar, ya que tienen energía almacenada debido a su posición. Esta energía almacenada debido a la posición se llama energía potencial.
Por Nathan Augusto
Licenciada en Física
Fuente: Escuela Brasil - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/energia-potencial-gravitacional-elastica.htm
