¿Qué es la energía potencial?
La energía potencial , U, se define como la energía almacenada en un objeto sometido a una fuerza conservadora. Los tipos comunes incluyen la energía potencial gravitacional , la energía potencial elástica de un resorte extendido y la energía potencial eléctrica de una carga eléctrica en un campo eléctrico, etc.
Supongamos la energía mecánica (E mech ), que es la energía asociada con el movimiento y la posición de un objeto, generalmente en algún campo de fuerza (por ejemplo, campo gravitacional). M energía echanical (y también la energía térmica) se pueden separar en dos categorías, transitorios y almacenados. La energía transitoria es energía en movimiento, es decir, energía que se transfiere de un lugar a otro. La energía almacenada es la energía contenida dentro de una sustancia u objeto. La energía mecánica transitoria se conoce comúnmente como trabajo . La energía mecánica almacenada existe en una de dos formas: cinética o potencial :
- La energía potencial . La energía potencial, U, se define como la energía almacenada en un objeto sometido a una fuerza conservadora. Los tipos comunes incluyen la energía potencial gravitacional de un objeto que depende de su masa y su distancia desde el centro de masa de otro objeto.
- La energía cinética . La energía cinética, K , se define como la energía almacenada en un objeto debido a su movimiento. Depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos.
Ejemplos de energía potencial
Energía potencial gravitacional:
En la mecánica clásica, la energía potencial gravitacional (U) es la energía que posee un objeto debido a su posición en un campo gravitacional. El potencial gravitacional (V; la energía gravitacional por unidad de masa) en una ubicación es igual al trabajo (energía transferida) por unidad de masa que sería necesario para mover el objeto desde una ubicación de referencia fija a la ubicación del objeto. El uso más común de la energía potencial gravitacional es para un objeto cerca de la superficie de la Tierra donde se puede suponer que la aceleración gravitacional es constante a aproximadamente 9.8 m / s 2 .
U = mgh
Energía potencial elástica :
La energía potencial elástica es la energía potencial almacenada como resultado de la deformación de un objeto elástico, como el estiramiento de un resorte. Depende de la constante de resorte k, así como de la distancia estirada.
U = 1/2 kx 2
Energía potencial eléctrica :
La energía potencial eléctrica es una energía potencial que resulta de fuerzas conservadoras de Coulomb y está asociada con la configuración de un conjunto particular de cargas puntuales dentro de un sistema definido. Por ejemplo, si una carga positiva Q se fija en algún punto del espacio, cualquier otra carga positiva que se acerque a ella experimentará una fuerza repulsiva y, por lo tanto, tendrá energía potencial.
U = kQq / r
Conservación de la energía mecánica.
Primero se declaró el principio de Conservación de la Energía Mecánica :
La energía mecánica total (definida como la suma de su potencial y energías cinéticas) de una partícula sobre la que actúan solo fuerzas conservadoras es constante .
Ver también: Conservación de la energía mecánica.
Un sistema aislado es aquel en el que ninguna fuerza externa causa cambios de energía. Si solo las fuerzas conservadoras actúan sobre un objeto y U es la función de energía potencial para la fuerza conservadora total, entonces
E mech = U + K
La energía potencial, U , depende de la posición de un objeto sometido a una fuerza conservadora.
Se define como la capacidad del objeto para hacer trabajo y aumenta a medida que el objeto se mueve en la dirección opuesta a la dirección de la fuerza.
La energía potencial asociada con un sistema que consiste en la Tierra y una partícula cercana es la energía potencial gravitacional .
La energía cinética, K , depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos.
K = ½ mv 2
La definición mencionada anteriormente ( E mech = U + K ) supone que el sistema está libre de fricción y otras fuerzas no conservativas . La diferencia entre una fuerza conservadora y una no conservadora es que cuando una fuerza conservadora mueve un objeto de un punto a otro, el trabajo realizado por la fuerza conservadora es independiente del camino.
En cualquier situación real, las fuerzas de fricción y otras fuerzas no conservativas están presentes, pero en muchos casos sus efectos en el sistema son tan pequeños que el principio de conservación de la energía mecánica puede usarse como una aproximación justa. Por ejemplo, la fuerza de fricción es una fuerza no conservativa, porque actúa para reducir la energía mecánica en un sistema.
Tenga en cuenta que las fuerzas no conservativas no siempre reducen la energía mecánica. Una fuerza no conservadora cambia la energía mecánica, hay fuerzas que aumentan la energía mecánica total, como la fuerza proporcionada por un motor o motor, también es una fuerza no conservativa.
Bloque deslizándose por una pendiente inclinada sin fricción
El bloque de 1 kg comienza a una altura H (digamos 1 m) sobre el suelo, con energía potencial mgH y energía cinética que es igual a 0. Se desliza hacia el suelo (sin fricción) y llega sin energía potencial y energía cinética. K = ½ mv 2 . Calcule la velocidad del bloque en el suelo y su energía cinética.
E mech = U + K = constante
=> ½ mv 2 = mgH
=> v = √2gH = 4.43 m / s
=> K 2 = ½ x 1 kg x (4.43 m / s) 2 = 19.62 kg.m 2 .s -2 = 19.62 J
Péndulo
Suponga un péndulo (bola de masa m suspendida en una cuerda de longitud L que hemos levantado para que la bola esté a una altura H <L por encima de su punto más bajo en el arco de su movimiento de cuerda estirada. El péndulo está sujeto al conservador fuerza gravitacional donde las fuerzas de fricción como el arrastre de aire y la fricción en el pivote son insignificantes.
Lo liberamos del reposo. ¿Qué tan rápido va en la parte inferior?
El péndulo alcanza la mayor energía cinética y la menor energía potencial cuando está en posición vertical , porque tendrá la mayor velocidad y estará más cerca de la Tierra en este punto. Por otro lado, tendrá la menor energía cinética y la mayor energía potencial en las posiciones extremas de su oscilación, porque tiene velocidad cero y está más lejos de la Tierra en estos puntos.
Si la amplitud se limita a pequeñas oscilaciones, el período T de un péndulo simple, el tiempo necesario para un ciclo completo, es:
donde L es la longitud del péndulo yg es la aceleración local de la gravedad. Para columpios pequeños, el período de columpio es aproximadamente el mismo para columpios de diferentes tamaños. Es decir, el período es independiente de la amplitud .
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