La energía potencial

Para levantar un objeto, por ejemplo, una pelota desde el suelo a una mesa, debemos utilizar parte de la energía de nuestro cuerpo y entregársela a la pelota. Esta energía no se pierde, sino que se transforma en energía potencial gravitacional.

  • Segundo Ciclo
  • Última actualización: 15/06/2010
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Índice de Temas:

  1. ¿Qué es la energía potencial gravitacional?
  2. Bobina de Tesla

¿Qué es la energía potencial gravitacional?

La energía que depende de una altura encima de un punto de referencia, así como la superficie de la Tierra, es llamada energía potencial gravitacional (EPG).

La energía que depende de una altura encima de un punto de referencia, así como la superficie de la Tierra, es llamada energía potencial gravitacional (EPG).

Ahora bien, ¿dónde queda almacenada la energía potencial gravitacional? La respuesta a esta pregunta es muy simple: la energía queda "almacenada" en el campo gravitacional. Esto puede parecer a simple vista muy raro, pero tiene que ver esencialmente con el hecho de que si no existiese un campo, no podríamos hablar de que existe una energía potencial gravitacional. Es decir, hipotéticamente, si pudiésemos hacer desaparecer la Tierra de un momento a otro, o sea hacer desaparecer el campo gravitacional terrestre, todos los objetos perderían automáticamente su energía potencial gravitacional, lo que se traduciría, por ejemplo, en que si soltamos un cuerpo en el aire, este no bajaría por "sí solo"; dicho de otro modo, para que el cuerpo baje tendríamos que empujarlo.

La energía potencial gravitacional es otra forma de representar la interacción gravitacional. De lo anterior se desprende que es posible entregar y recibir energía del campo gravitacional; es decir, cosas como subir un cerro, levantar un objeto, tirar una piedra por el aire, etc., no son más que intercambios de energía con el campo gravitacional.

¿Qué significa potencial y cuál es su relación con la energía? Cuando nos referimos a la energía potencial gravitacional, realmente nos estamos refiriendo de alguna forma al potencial, que en los casos anteriores es el potencial gravitacional, pues se trata de interacciones gravitacionales. El potencial es otra forma de representar las interacciones.

Por ejemplo, en el caso gravitacional. Supongamos que tenemos un campo gravitacional, ¿qué tiene que ver el potencial gravitacional con la fuerza?; o más específicamente, ¿qué relación existe entre el potencial y la interacción o fuerza que sentirá un cuerpo?

El potencial por sí mismo no nos entrega mucha información acerca de la interacción; lo que es realmente importante es la diferencia de potencial entre dos puntos. Cada vez que existe una diferencia de potencial entre dos puntos del espacio, es decir, cuando el valor del potencial en uno de los puntos es distinto al valor del potencial en el otro punto, decimos que existe una diferencia de potencial entre ambos puntos. A su vez, si existe una diferencia de potencial entre dos puntos, entonces existe una fuerza distinta de cero, la cual, dadas las condiciones para que esto ocurra, moverá a un cuerpo en la misma dirección que la línea que une a los puntos que poseen la diferencia de potencial.

Vamos a un caso más concreto. Cuando tenemos la pelota sobre la mesa, decimos que la pelota posee energía potencial gravitacional. Sin embargo, en rigor lo que debiéramos decir es: "la pelota se encuentra sometida a una diferencia de potencial entre el punto en que se encuentra situada ella misma y cualquier punto en el suelo".

En general, existe una diferencia de potencial entre cualquier punto que se encuentre a la misma altura que la pelota y cualquier otro que se encuentre en un nivel más bajo. Esta diferencia de potencial se traducirá en que, si de una u otra forma, permitimos que la pelota baje, sea esto que saquemos la mesa, o sea que saquemos el lugar donde se apoya la pelota, o bien que pongamos a esta sobre una superficie inclinada respecto del suelo, entonces la pelota bajará por "sí sola". Sin embargo, si en vez de poner un plano inclinado, ponemos sobre la mesa un plano ascendente, ¿qué sucederá?

Las trayectorias de los cuerpos

El potencial define las trayectorias de los cuerpos. Es decir, las trayectorias de los cuerpos que están sometidos a diferencias de potencial, sea este gravitacional o de otro tipo, siguen el sentido en que se encuentra la máxima diferencia de potencial posible. Esto es análogo a que si a un niño glotón lo pusiesen en un lugar donde se puede comer todo el pastel que se quiera; además, el pastel no se encuentra en una misma parte, sino en distintas mesas esparcidas en todo el recinto; si lo restringen a moverse solo una vez y el tipo de pastel es el mismo en todos los lugares, ¿hacia qué punto se moverá el niño glotón?

Ciertamente, en esta situación su prioridad será comer la mayor cantidad de pastel posible. Por lo tanto, cuando se mueva irá en dirección al lugar que posee la mayor cantidad de pastel. Es claro, entonces, que en esta situación la "diferencia de potencial" es más grande mientras mayor sea la cantidad de pastel. Ahora bien, ¿qué sucederá si existen pasteles de distintos sabores en distintos lugares del recinto? ¿En qué dirección irá ahora la diferencia de potencial?

Por otra parte, en el caso gravitacional, los cuerpos solo se mueven por "sí solos" cuando existe una diferencia de potencial positiva. Una diferencia de potencial negativa implica que debemos entregar energía al cuerpo para que se mueva en ese sentido. Esto es análogo a si intentáramos que el niño glotón comiese algún tipo de comida que no le gustase mucho; solo podremos obligarlo a comerla con la promesa de darle mucho pastel después...

El potencial eléctrico

Todos los conceptos que hemos desarrollado para el caso de la interacción gravitacional se pueden aplicar, de la misma forma, al caso de la interacción eléctrica. Si existe un campo eléctrico presente en el espacio, entonces también existe un potencial en el espacio, y la trayectoria de una partícula cargada será en el sentido de la máxima diferencia de potencial eléctrico.

Un experimento que alejará todas las dudas respecto de esto es la comprobación del funcionamiento de la bobina de Tesla. Por lo general, para prender un tubo o ampolleta, es necesario conectarlo a una fuente de energía eléctrica, pues para encenderse el tubo necesita energía. Esto es muy claro, pues en una casa todos los artefactos eléctricos consumen energía; de hecho, es esta la que pagamos mensualmente a las compañías proveedoras. Ahora bien, ¿cómo es posible que, sin conectar el tubo a ninguna fuente de energía, podamos encenderlo?

La respuesta a la pregunta anterior ciertamente ya la conocemos: el tubo se enciende gracias a que el campo eléctrico generado por la bobina de Tesla posee energía. Esta es la prueba más clara de que los campos poseen energía. ¿Es esto un truco de magia o algo así? Ciertamente no... Lo único que puede parecernos extraño es que, gracias a una máquina misteriosa llamada bobina de Tesla, hemos podido encender el tubo y la ampolleta. Sin embargo, esta máquina no hace otra cosa que generar un campo eléctrico. A su vez, este campo es generado solo gracias a que hacemos funcionar la bobina de Tesla conectándola a una fuente de energía. De otra forma, la bobina no funcionaría y no podríamos realizar el experimento del tubo fluorescente. ¿Por qué?.

La patita del medio

La generación masiva de electricidad se produce en las centrales eléctricas. En Chile, esta producción se realiza, principalmente, en centrales hidroeléctricas, en donde a través del uso de turbinas y alternadores se transforma el movimiento mecánico en electricidad. El transporte de esta energía se hace a través de cables eléctricos, pasando por centros de distribución y transformación capaces de llevarla al usuario final, con niveles estándares de utilización (220 voltios).

La tensión se define como una diferencia de potencial eléctrico; por convenio se toma como potencial cero, y por lo tanto, eléctricamente neutra a la Tierra, es decir, el suelo tiene siempre potencial cero, definiéndose todas las tensiones con respecto a la Tierra. Si te fijas en los enchufes, podrás ver que hay algunos que tienen tres patitas, siendo la del medio la que está conectada a la Tierra.

¿Sabías que?

- El potencial asociado al campo gravitacional es una cantidad, la cual, multiplicada por la masa de un objeto dado, da como resultado la energía potencial gravitacional de dicho objeto en un punto del espacio.

- En honor a Alessandro Volta, el inventor de la pila eléctrica, a la unidad de la diferencia de potencial eléctrico se le llama voltio.