Energía Potencial
La energía potencial es la energía almacenada que tiene un objeto debido a su posición, forma o condición, lista para liberarse como movimiento u otras formas.
Definition
La energía potencial es energía almacenada: un objeto la tiene por dónde está o cómo está dispuesto, y esa energía está esperando a liberarse. La energía potencial gravitacional depende de la altura ($PE = mgh$), la energía potencial elástica se almacena en resortes y bandas estiradas o comprimidas, y la energía potencial química se almacena en los enlaces de los alimentos, el combustible y las baterías; todas ellas pueden transformarse en energía cinética y viceversa. En sentido estricto, la energía potencial se define solo para fuerzas conservativas, aquellas cuyo trabajo es independiente del camino, como el negativo del trabajo realizado por la fuerza, $\Delta U = -\int \vec{F}\cdot d\vec{r}$, así que la fuerza es el gradiente negativo del potencial, $F = -dU/dx$. Las formas comunes son la gravitacional $U = mgh$ cerca de la superficie terrestre y $U = -GMm/r$ en general, y la elástica $U = \tfrac{1}{2}kx^2$. Solo las diferencias en $U$ son físicas; el punto cero es una elección libre.
Example
Una banda elástica estirada, un libro en un estante alto y un juguete de cuerda tienen energía potencial, y cuando la sueltas, la energía almacenada se convierte en movimiento. Una flecha de $0.2\ \text{kg}$ sostenida en la cima de una torre de $30\ \text{m}$ tiene $PE = 0.2 \times 9.8 \times 30 = 58.8\ \text{J}$, que se convierte en energía cinética al caer. Un resorte con $k = 400\ \text{N/m}$ comprimido $0.10\ \text{m}$ almacena $U = \tfrac{1}{2}(400)(0.10)^2 = 2.0\ \text{J}$. Liberado contra una pelota de $0.05\ \text{kg}$, produce $\tfrac{1}{2}(0.05)v^2 = 2.0$, así que $v = \sqrt{80} \approx 8.9\ \text{m/s}$.
Key Insight
La energía potencial es invisible hasta que se libera; una roca en la cima de una colina se ve tranquila, pero está almacenando mucha energía. La primera colina de una montaña rusa siempre es la más alta porque el carro nunca obtiene más energía de la que almacenó en la cima, así que cada colina posterior debe ser más baja. Los objetos tienden a moverse hacia una energía potencial menor, ya que la fuerza apunta cuesta abajo en la curva de energía potencial. El equilibrio estable se encuentra en el fondo de un pozo de potencial, y el equilibrio inestable en la cima de una protuberancia.