¿Qué es la energía potencial?

Posted on by Rudeus Greyrat

Como noción común, la palabra “energía” significa la capacidad de entrar en acción. Siempre que alguien dice que una persona en particular es enérgica. Esto significa que una persona en particular tiene muchas ganas y es muy capaz de hacer cosas. El término “potencial” también se usa para denotar la posibilidad de que algo suceda. Estas cosas se relacionan con la energía. Todo lo que está en reposo bajo una fuerza tiene el potencial de estar en acción. Esto significa que la energía potencial se almacena dentro de ese objeto. 

Energía potencial

Consideremos una masa M que se mantiene en el suelo. Esta masa M se lleva a una altura de “h”. En el proceso, la fuerza gravitacional actúa sobre la masa y realiza trabajo sobre ella. El trabajo realizado en contra de la gravedad se almacena en el bloque en términos de energía potencial. Cuando se suelta el bloque para que caiga libremente, esta energía potencial disminuye y se convierte en energía cinética. 

La energía potencial es la energía adquirida por el cuerpo en virtud de su posición o configuración. 

En el experimento anterior, se mencionó que el trabajo realizado contra la fuerza de gravedad se convierte en energía potencial. La fuerza gravitacional sobre el bloque será, 

F = magnesio

Mientras asciende por la altura “h”. El trabajo realizado sobre el bloque será, 

W = Fd

⇒W = (Mg)h

⇒W = Mgh

Así, este trabajo realizado se convierte en energía potencial. 

PE = W = Mgh

Ya que la fuerza es la gravedad. Esto se llama energía potencial gravitacional. En general, la energía potencial puede deberse al trabajo realizado bajo muchas fuerzas diferentes. Por ejemplo, Fuerza electrostática, Fuerza de restauración de resorte, etc. Dado que la energía potencial también es un tipo de energía. Su unidad es el julio. 

Energía potencial de un resorte

La ley de Hooke establece cómo varía la fuerza restauradora en el resorte con el desplazamiento neto desde la posición media del resorte. Considerando que el desplazamiento neto es  \Delta x y la fuerza restauradora se denota por F, 

F = -kx

Para una fuerza variable F, y el desplazamiento neto x, 

W = \int^{x}_{0}Fdx

Ahora en el desplazamiento x, para un desplazamiento infinitesimalmente pequeño  \Delta x y una fuerza F, 

dW = Fdx

⇒ dW = -kxdx

Integrando la ecuación anterior para el trabajo total realizado, 

dW = kxdx

⇒∫dW = ∫kxdx

⇒ W = \frac{kx^2}{2}

Este trabajo realizado también se almacena como energía potencial. Así, la energía potencial almacenada en el resorte debido al desplazamiento “x” será,

PE = \frac{kx^2}{2}

La noción de energía potencial solo se limita a la clase de fuerzas donde el trabajo realizado se convierte en energía potencial. Por ejemplo, la fricción no entra en esa categoría. En el caso de la fricción, el trabajo realizado se disipa en forma de calor. 

Forma general de energía potencial

En general, la energía potencial V(x) en presencia de la fuerza F(x) se define como, 

F(x) = -\frac{dV(x)}{dx}

Esto implica que, 

\int^{x_f}_{x_i}F(x)dx = -\int^{v_f}_{v_i}{dV(x)}{dx} = V_i - V_f

El trabajo realizado por tales fuerzas depende de los valores inicial y final de x. Tales fuerzas se llaman fuerzas conservativas. 

Problemas de muestra

Pregunta 1: Encuentra la energía potencial de una pelota de 3 kg de masa mantenida a una altura de 20 m. 

Solución: 

Dado: 

Masa “m” = 3Kg, altura “h” = 20m. 

PE = mgh 

Sustituyendo los valores en la ecuación dada. 

⇒ PE = (3)(10)(20) 

⇒PE = 600J

Pregunta 2: Encuentra la energía potencial de una pelota de 5 kg de masa mantenida a una altura de 10 m. 

Solución: 

Dado: 

Masa “m” = 5Kg, altura “h” = 10m. 

PE = mgh 

Sustituyendo los valores en la ecuación dada. 

⇒ PE = (5)(10)(10) 

⇒PE = 500J

Pregunta 3: encuentre la energía potencial almacenada en un resorte con una constante de resorte de 50 N/m, cuando se estira 0,2 m. 

Solución: 

Dado: 

K = 50 N/m y el \Delta x = 0.2m

La energía almacenada en un resorte viene dada por, 

PE = \frac{kx^2}{2}

Reemplazando estos valores en la ecuación, 

PE = \frac{kx^2}{2}

⇒ PE = \frac{(50)(0.2)^2}{2}

⇒ PE = \frac{(50)(0.04)}{2}

⇒ PE = \frac{2}{2}

⇒ PE = 1J

Pregunta 4: Encuentra la energía potencial almacenada en un resorte con una constante de resorte de 100 N/m, cuando se estira 0,5 m. 

Solución: 

Dado: 

K = 100 N/m y el \Delta x = 0.5m

La energía almacenada en un resorte viene dada por, 

PE = \frac{kx^2}{2}

Reemplazando estos valores en la ecuación, 

PE = \frac{kx^2}{2}

⇒ PE = \frac{(100)(0.5)^2}{2}

⇒ PE = \frac{(100)(0.25)}{2}

⇒ PE = \frac{25}{2}

⇒PE = 12,5J

Pregunta 5: La energía potencial del bloque cambia 50J cuando se lanza hacia arriba desde una altura de 10m. La masa del bloque es de 1 kg. Encuentre la altura que alcanza el bloque. 

Solución: 

Digamos que la altura inicial y la altura final son, 

h i = 10m y h f = ? 

Dado: m = 1Kg y \Delta P.E = 50J

ΔP.E=PE f​ −PE i​ = 50

= mgh f ​−mgh i​ = 50

=mg(h f ​−h i​ ) =50

=(1)(10)(h f​ −h i​ ) =5

=h f​ −h i ​=5

=h f​ −10

=15 = h f

La altura final será de 15m. 

Pregunta 6: Un bloque conectado a un resorte se comprimió a 0,2 m. La masa del bloque es de 2 kg. Encuentre la velocidad del bloque cuando alcanza su posición natural. Dado. K = 100 N/m.

Solución: 

Dado: 

K = 100 N/m y el \Delta x = 0.2m

La energía almacenada en un resorte viene dada por, 

PE = \frac{kx^2}{2}

Reemplazando estos valores en la ecuación, 

PE = \frac{kx^2}{2}

⇒ PE = \frac{(100)(0.2)^2}{2}

⇒ PE = \frac{(100)(0.04)}{2}

⇒ PE = 2J

Ahora, cuando se suelta el resorte, transfiere su energía potencial al bloque y se convierte en la energía cinética del bloque. 

EC = \frac{1}{2}mv^2

⇒ 2 = \frac{1}{2}2v^2

⇒ √2 = v

v = 1,414 m/s. 

Pregunta 7: Un bloque conectado a un resorte se comprimió a 0,5 m. La masa del bloque es de 1 kg. Encuentre la velocidad del bloque cuando alcanza su posición natural. Dado. K = 100N/m

Solución: 

Dado: 

k = 100 N/m y el \Delta x = 0.5m

La energía almacenada en un resorte viene dada por, 

PE = \frac{kx^2}{2}

Reemplazando estos valores en la ecuación, 

PE = \frac{kx^2}{2}

⇒ PE = \frac{(100)(0.5)^2}{2}

⇒ PE = \frac{25}{2}

⇒PE = 12,5J

Ahora, cuando se suelta el resorte, transfiere su energía potencial al bloque y se convierte en la energía cinética del bloque. 

EC = \frac{1}{2}mv^2

⇒ 12,5 = \frac{1}{2}1v^2

⇒ √25 = v

v = 5 m/s. 

Publicación traducida automáticamente

Artículo escrito por anjalishukla1859 y traducido por Barcelona Geeks. The original can be accessed here. Licence: CCBY-SA

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