Cómo calcular la energía potencial

Contenido

• Fórmula de energía potencial para el campo gravitacional de la Tierra
• Energía potencial elástica
• Potencial eléctrico o voltaje

La energía potencial suena como su simple energía que no se ha actualizado, y pensar en eso de esa manera puede inducirlo a creer que no es real. Sin embargo, párate debajo de una caja fuerte suspendida a 30 pies del suelo, y tu opinión podría cambiar. La caja fuerte tiene energía potencial debido a la fuerza de la gravedad, y si alguien cortara la cuerda que la sujetaba, esa energía se convertiría en energía cinética, y para cuando la caja fuerte llegara a usted, tendría suficiente energía "actualizada" para dar Eres un dolor de cabeza desgarrador.

Una mejor definición de energía potencial es la energía almacenada, y se necesita "trabajo" para almacenar la energía. La física tiene una definición específica de trabajo: el trabajo se realiza cuando una fuerza mueve un objeto a una distancia. El trabajo está relacionado con la energía. Se mide en julios en el sistema SI, que también son unidades de energía potencial y cinética. Para convertir el trabajo en energía potencial, debe actuar contra un tipo particular de fuerza, y hay varios. La fuerza podría ser la gravitación, un resorte o un campo eléctrico. Las características de la fuerza determinan la cantidad de energía potencial que almacena haciendo un trabajo contra ella.

Fórmula de energía potencial para el campo gravitacional de la Tierra

La forma en que funciona la gravitación es que dos cuerpos se atraen entre sí, pero todo en la Tierra es tan pequeño en comparación con el planeta mismo que solo el campo gravitacional de la Tierra es significativo. Si levantas un cuerpo (metro) sobre el suelo, ese cuerpo experimenta una fuerza que tiende a acelerarlo hacia el suelo. La magnitud de la fuerza (F), de la segunda ley de Newton, viene dada por F = mg, dónde sol es la aceleración debida a la gravedad, que es una constante en todas partes de la Tierra.

Supongamos que levanta el cuerpo a una altura h. La cantidad de trabajo que realiza para lograr esto es fuerza × distancia, o mgh. Ese trabajo se almacena como energía potencial, por lo que la ecuación de energía potencial para el campo gravitacional de la Tierra es simplemente:

Energía potencial gravitacional = mgh

Energía potencial elástica

Los resortes, las gomas elásticas y otros materiales elásticos pueden almacenar energía, que es esencialmente lo que haces cuando retiras un arco justo antes de disparar una flecha. Cuando estira o comprime un resorte, ejerce una fuerza opuesta que actúa para restaurar el resorte a su posición de equilibrio. La magnitud de la fuerza es proporcional a la distancia que estira o comprime (X) La constante de proporcionalidad (k) es característico de la primavera. De acuerdo con la ley de Hookes, F = −kx. El signo menos indica la fuerza de restauración del resorte, que actúa en la dirección opuesta a la que lo estira o comprime.

Para calcular la energía potencial almacenada en un material elástico, debe reconocer que la fuerza aumenta a medida que X aumenta Sin embargo, para una distancia infinitesimal, F es constante. Al resumir las fuerzas de todas las distancias infinitesimales entre 0 (equilibrio) y la extensión o compresión final X, puede calcular el trabajo realizado y la energía almacenada. Este proceso de suma es una técnica matemática llamada integración. Produce la fórmula de energía potencial para un material elástico:

Energía potencial = kx²/2

dónde X es la extensión y k Es la constante de primavera.

Potencial eléctrico o voltaje

Considere mover una carga positiva q dentro de un campo eléctrico generado por una carga positiva mayor Q. Debido a las fuerzas eléctricas de repulsión, se necesita trabajo para acercar la carga más pequeña a la más grande. Según la ley de Coulombs, la fuerza entre los cargos en cualquier punto es kqQ/r², dónde r es la distancia entre ellos En este caso, k es constante de Coulombs, no la constante de primavera. Los físicos denotan a ambos por k. Calcula la energía potencial considerando el trabajo necesario para moverse q desde infinitamente lejos de Q a su distancia r. Esto da la ecuación de energía potencial eléctrica:

Energía potencial eléctrica = kqQ/r

El potencial eléctrico es ligeramente diferente. Es la cantidad de energía almacenada por unidad de carga, y se conoce como voltaje, medida en voltios (julios / coulomb). La ecuación para el potencial eléctrico o el voltaje generado por la carga. Q A una distancia r es:

Potencial eléctrico = kQ/r