Energía potencial para niños
La energía potencial es un tipo de energía mecánica que un objeto tiene debido a su posición o a su estado. Imagina que es como la energía "guardada" o "almacenada" que puede usarse más tarde. Por ejemplo, una pelota en lo alto de una colina tiene energía potencial porque, si la sueltas, puede rodar cuesta abajo y ganar velocidad.
A diferencia de la energía cinética, que es la energía del movimiento, la energía potencial se relaciona con la ubicación de un objeto en un campo de fuerzas (como el de la gravedad o el campo eléctrico) o con la forma en que un objeto elástico está estirado o comprimido (como un muelle).
Cuando un sistema de fuerzas es "conservativo" (lo que significa que la energía no se pierde por fricción o resistencia del aire), la suma de la energía cinética y la energía potencial de un objeto siempre se mantiene igual. ¡Por eso se llaman fuerzas conservativas, porque conservan la energía total!
El valor de la energía potencial siempre se mide desde un punto de referencia. Por ejemplo, la energía potencial de una pelota en una mesa es diferente si la medimos desde el suelo o desde la propia mesa. Lo importante es cuánto cambia la energía potencial entre dos posiciones.
La energía potencial es un concepto muy importante en la física, no solo en la física clásica que vemos a diario, sino también en la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica, que estudian el universo a escalas muy grandes y muy pequeñas.
Contenido
¿Qué es la energía potencial?
La energía potencial es la energía que un objeto tiene debido a su posición o configuración. Piensa en ella como la energía que está "lista para ser usada".
Energía potencial y energía cinética
Mientras que la energía cinética es la energía del movimiento (cuanto más rápido se mueve algo, más energía cinética tiene), la energía potencial depende de dónde está el objeto y de las fuerzas que actúan sobre él.
En un sistema ideal donde no hay fricción (como el aire o el roce), la suma de la energía cinética y la energía potencial de un objeto siempre es la misma. Esto se conoce como el principio de conservación de la energía.
Energía potencial y trabajo
La energía potencial está relacionada con el trabajo que las fuerzas realizan para mover un objeto de un lugar a otro. Si el trabajo que una fuerza hace no depende del camino que se siga (solo del punto de inicio y fin), a esa fuerza se le llama fuerza conservativa. Ejemplos de fuerzas conservativas son la fuerza de gravedad, la fuerza electromagnética (que incluye las fuerzas eléctricas y magnéticas) y la fuerza elástica.
Energía potencial gravitatoria
La energía potencial gravitatoria es la energía que tienen los objetos debido a su masa y a la distancia que los separa. Cuanto más grandes son las masas y más cerca están, más fuerte es la fuerza de atracción entre ellas.
Por ejemplo, el Sol tiene una masa enorme y crea un campo gravitatorio que atrae a los planetas. Cada planeta, a su vez, crea su propio campo gravitatorio que atrae a sus satélites.
El trabajo necesario para mover un objeto de un punto a otro dentro de un campo gravitatorio solo depende de los puntos de inicio y fin, no del camino recorrido. Por eso, la fuerza gravitatoria es una fuerza conservativa.
La energía potencial gravitatoria de dos masas (M y m) separadas por una distancia r se calcula con la siguiente fórmula:
Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): E_p = - \frac {G \cdot M \cdot m } { r }
Donde:
es la energía potencial gravitatoria (se mide en julios, J).
es la constante de gravitación universal, un número fijo (Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): 6.673\times 10^{-11} \; \left (\cfrac{\text{N}\cdot\text{m}^2}{\text{kg}^2} \right ) ).
y 
son las masas de los objetos (se miden en kilogramos, kg).
es la distancia entre los centros de los objetos (se mide en metros, m).
El signo negativo significa que la energía potencial gravitatoria es menor (más negativa) cuanto más cerca están los objetos, lo que indica una atracción.
Energía potencial cerca de la superficie de la Tierra
Cuando un objeto está cerca de la superficie de la Tierra y a una altura pequeña, podemos usar una fórmula más sencilla para su energía potencial gravitatoria:
Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \Delta E_p = m \cdot g \cdot h
Donde:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \Delta E_p es el cambio en la energía potencial.
- es la masa del objeto.
es la aceleración de la gravedad (aproximadamente 9.8 m/s² en la Tierra).
es la altura del objeto sobre un punto de referencia (como el suelo).
Esta fórmula es muy útil para calcular la energía potencial de objetos que levantamos o dejamos caer, como una pelota que lanzamos al aire.
Velocidad de escape
La velocidad de escape es la velocidad mínima que necesita un objeto para salir de la atracción gravitatoria de un planeta o cuerpo celeste. Si un objeto alcanza esta velocidad, puede alejarse para siempre sin volver a caer.
Para la Tierra, la velocidad de escape desde su superficie es de aproximadamente 11.17 kilómetros por segundo.
Superficies equipotenciales
Las superficies equipotenciales son como mapas de energía potencial. Son superficies donde todos los puntos tienen el mismo valor de energía potencial. En el caso de la gravedad, las superficies equipotenciales alrededor de un planeta son esferas concéntricas.
Ejemplos de la energía potencial gravitatoria
Montaña Rusa
En una montaña rusa, los coches tienen la máxima energía potencial gravitatoria en la parte más alta. A medida que bajan, esa energía potencial se convierte en energía cinética, haciendo que los coches se muevan muy rápido. Al subir de nuevo, la energía cinética se convierte otra vez en energía potencial. Si no hubiera fricción, la energía total (cinética + potencial) se mantendría constante.
Péndulo
Un péndulo también muestra cómo la energía potencial y cinética se transforman. En los puntos más altos de su balanceo, el péndulo tiene la máxima energía potencial y su velocidad es cero (por un instante). En el punto más bajo, tiene la máxima energía cinética y su velocidad es máxima, mientras que su energía potencial es mínima.
Aplicación al movimiento planetario
La energía potencial gravitatoria es clave para entender las órbitas de los planetas alrededor del Sol. La forma de la órbita (circular, elíptica, parabólica o hiperbólica) depende de la energía total del planeta.
- Si la energía total es negativa, la órbita es cerrada (circular o elíptica).
- Si la energía total es cero o positiva, la órbita es abierta (parabólica o hiperbólica), y el objeto escapa de la atracción gravitatoria.
Energía potencial elástica
La elasticidad es la capacidad de algunos materiales para volver a su forma original después de ser estirados, comprimidos o deformados. Las fuerzas que hacen que esto suceda se llaman fuerzas elásticas. Piensa en un muelle, una goma elástica o las cuerdas de una guitarra.
Muchas máquinas antiguas, como las catapultas o los arcos, usaban la energía potencial elástica para lanzar objetos. Cuando estiras un arco, almacenas energía potencial elástica en él, que luego se libera para impulsar la flecha.
Ley de Hooke
La Ley de Hooke describe cómo se comportan los materiales elásticos. Dice que la fuerza necesaria para estirar o comprimir un muelle es directamente proporcional a la distancia que se estira o comprime. Es decir, si estiras un muelle el doble, necesitarás el doble de fuerza.
La fórmula de la Ley de Hooke es: Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \vec{F}_{el} = -(kx)\vec{u}_{x} Donde:
- Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): \vec{F}_{el} es la fuerza elástica.
es la constante elástica del muelle (un número que depende del material y la forma del muelle).
es la distancia que el muelle se estira o comprime desde su posición de equilibrio.- El signo menos indica que la fuerza siempre intenta devolver el muelle a su posición original.
Deducción de la energía potencial elástica
La energía potencial elástica almacenada en un muelle estirado o comprimido se calcula con la fórmula: Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): E_p = \frac{1}{2}kx^2 Donde:
- es la energía potencial elástica.
- es la constante elástica del muelle.
- es la distancia que el muelle se estira o comprime.
Esta energía es la que el muelle puede liberar para hacer trabajo, como mover un objeto.
Energía potencial electrostática y potencial eléctrico
La fuerza eléctrica entre dos cargas en reposo también es una fuerza conservativa. Esto significa que podemos hablar de energía potencial electrostática.
- Si las cargas tienen el mismo signo (ambas positivas o ambas negativas), se repelen. Su energía potencial es mayor cuanto más cerca están.
- Si las cargas tienen signos opuestos (una positiva y una negativa), se atraen. Su energía potencial es mayor cuanto más lejos están.
La energía potencial electrostática entre dos cargas (Q y q) separadas por una distancia r es: 
Donde:
- es la energía potencial electrostática.
y 
son los valores de las cargas.- es la distancia entre las cargas.
es una constante llamada permitividad eléctrica del vacío.
El potencial eléctrico (V) es la energía potencial electrostática por unidad de carga. Es como la "altura" eléctrica en un punto, y se calcula como: Error al representar (Falta el ejecutable <code>texvc</code>. Véase math/README para configurarlo.): V(r) = \frac{E_p(r)}{q} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{Q}{r}
Potencial debido a un sistema de cargas puntuales
Si tienes varias cargas, el potencial eléctrico en un punto es la suma de los potenciales creados por cada carga individualmente.
Superficies equipotenciales
Las superficies equipotenciales en el campo eléctrico son superficies donde todos los puntos tienen el mismo potencial eléctrico. Las líneas de campo eléctrico siempre son perpendiculares a estas superficies.
- Para una carga puntual, las superficies equipotenciales son esferas alrededor de la carga.
- Para un campo eléctrico uniforme, las superficies equipotenciales son planos paralelos.
Si una carga se mueve a lo largo de una superficie equipotencial, su energía potencial no cambia.
Aplicaciones
Los condensadores
Un condensador es un dispositivo que almacena energía en forma de energía potencial electrostática. Funciona con dos placas conductoras separadas por un material aislante. Cuando se conectan a una fuente de energía, las placas se cargan con la misma cantidad de carga, pero con signos opuestos.
Los condensadores son muy comunes en la electrónica y se encuentran en casi todos los dispositivos modernos, como ordenadores, teléfonos móviles y reproductores de música. Almacenan energía por un corto tiempo para que los circuitos funcionen correctamente.
El generador de Van de Graaff
El generador de Van de Graaff es una máquina que produce una gran cantidad de energía potencial electrostática, creando diferencias de potencial de millones de voltios. Se usa para acelerar partículas cargadas y estudiar la estructura de los núcleos atómicos.
Funciona usando una cinta móvil que transporta cargas eléctricas desde una fuente inferior hasta una gran esfera metálica hueca en la parte superior. Las cargas se acumulan en la esfera, creando un potencial eléctrico muy alto. Si acercas un objeto a la esfera, se produce una gran descarga eléctrica, ¡como un rayo en miniatura!
También se usa en escuelas y museos para hacer demostraciones divertidas sobre la electricidad estática.
Energía potencial química
La energía potencial química es la energía almacenada en los enlaces químicos entre los átomos y las moléculas. Cuando ocurre una reacción química, esta energía puede liberarse o absorberse.
Por ejemplo:
- Cuando quemas combustible, la energía química se convierte en calor.
- En tu cuerpo, el metabolismo de los alimentos convierte la energía química en energía que usas para moverte y pensar.
- Las plantas usan la fotosíntesis para convertir la energía solar en energía química.
- Las baterías recargables almacenan energía eléctrica como energía química.
Energía potencial nuclear
En la física nuclear, la energía potencial nuclear se refiere a la energía almacenada dentro del núcleo de un átomo. El núcleo está formado por protones y neutrones (llamados nucleones).
Dentro del núcleo, actúan dos tipos principales de fuerzas:
- Las fuerzas electromagnéticas: Son las fuerzas de repulsión entre los protones (que tienen carga positiva).
- Las fuerzas nucleares: Son fuerzas muy fuertes que atraen a los nucleones entre sí, superando la repulsión eléctrica de los protones. Estas fuerzas son de muy corto alcance, lo que significa que solo actúan entre nucleones muy cercanos.
Aunque las fuerzas nucleares no son exactamente "conservativas" en el mismo sentido que la gravedad o la electricidad, se usa el concepto de energía potencial para entender cómo se mantienen unidos los núcleos y cómo se comportan en reacciones nucleares.
La barrera de potencial nuclear
Cuando se intenta que una partícula cargada positivamente (como un protón) entre en un núcleo atómico, tiene que vencer una "barrera de potencial" electrostática. Esta barrera es la repulsión eléctrica entre la partícula y los protones del núcleo.
Para que la partícula entre, necesita tener suficiente energía cinética para superar esta barrión. Los aceleradores de partículas se usan para dar a las partículas la energía necesaria. Sin embargo, a veces, las partículas pueden "atravesar" la barrera sin tener suficiente energía, gracias a un fenómeno de la mecánica cuántica llamado efecto túnel.
La energía potencial nuclear entre dos nucleones libres
Los científicos han desarrollado modelos para describir la energía potencial entre dos nucleones. Uno de los primeros modelos fue propuesto por Yukawa. Estos modelos intentan explicar cómo las fuerzas nucleares atractivas mantienen unidos a los nucleones, y cómo una fuerza repulsiva muy fuerte a distancias muy cortas evita que los nucleones se "colapsen" entre sí.
También se considera la repulsión eléctrica entre los protones, que se suma a las fuerzas nucleares para determinar la energía potencial total en el núcleo.
Galería de imágenes
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Variables implicadas en el trabajo eléctrico realizado al trasladar una carga q, en presencia campo eléctrico creado por otra carga Q
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Gráfica en la que se puede comprobar como disminuye el valor de Ep(r) al aumentar la separación entre ambas cargas siguiendo la ley
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Potencial creado por una carga puntual Q
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1.- Líneas de campo y líneas equipotenciales (LE) creadas por una carga positiva. Las (LE) son circunferencias; en tres dimensiones son superficies esféricas
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2.- Líneas de campo y líneas equipotenciales (LE) creadas por un campo uniforme. Las (LE) son líneas rectas; en tres dimensiones son planos
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3.- Líneas de campo y líneas equipotenciales (LE) creadas por un dipolo eléctrico. En tres dimensiones las (LE) forman superficies equipotenciales
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Curva de energía potencial elástica y fuerza correspondiente aplicado a la respuesta de una bola sujeta a un muelle
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Energía potencial asociada a las fuerzas que actúan entre nucleones vecinos. Interacción neutrón-protón
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Energía potencial asociada a las fuerzas que actúan entre nucleones vecinos. Interacción protón-protón
