La energía potencial se puede pensar en como energía almacenada dentro de un sistema físico. Esta energía se puede lanzar o convertir en otras formas de energía, incluyendo la energía cinética . Se llama energía potencial del porque tiene el potencial para cambiar los estados de objetos en el sistema cuando se lanza la energía.

La energía potencial existe cuando hay una fuerza que tiende a tirar de un objeto hacia una cierta posición original cuando se desplaza el objeto. Esta fuerza a menudo se llama una fuerza de restauración del . Por ejemplo, cuando un resorte se estira a la izquierda, ejerce una fuerza al derecho para volver a su original, posición O. O, suponer que un peso está levantado derecho para arriba. La fuerza de la gravedad intentará traerlo detrás traga a su posición original. Los pasos iniciales de estirar el resorte y de levantar el peso ambos requieren energía realizarse. Según el principio de conservación de la energía, la energía no puede ser creada o ser destruida; por lo tanto esta energía no puede desaparecer. En lugar se almacena como energía potencial. Si se lanza el resorte o se cae el peso, esta energía almacenada será convertida en la energía cinética por el &mdash de la fuerza de restauración ; elasticidad en el caso del resorte, y gravedad en el caso del peso.

La definición más formal es que la energía potencial es la energía de la posición, es decir, la energía un objeto está considerada tener debido a su posición en espacio. Hay un número de diversos tipos de energía potencial, cada uno asociada a un tipo particular de la fuerza . Más específicamente, cada fuerza conservadora da lugar a energía potencial. Por ejemplo, el trabajo de la fuerza elástico se llama energía potencial de elástico; el trabajo que la fuerza gravitacional de se llama la energía potencial gravitacional, trabajo de la fuerza de culombio se llama energía potencial eléctrica; el trabajo de la fuerza nuclear fuerte o de la fuerza nuclear débil que actúa en la carga del Baryon se llama energía potencial nuclear; el trabajo de las fuerzas intermoleculares se llama energía potencial intermolecular. La energía potencial química, tal como la energía almacenada en los combustibles fósiles, es el trabajo de la fuerza de culombio durante el cambio de posiciones mutuas de electrones y de núcleos en átomos y moléculas. La energía termal tiene generalmente dos componentes: la energía cinética del movimiento al azar de partículas y energía potencial de sus posiciones mutuas.

La frase “energía potencial” fue acuñada por el Guillermo Rankine .

Como regla general, el trabajo hecho por un conservador F de la fuerza será $del\; \backslash ,\; W\_F\; =\; -\; \backslash \; delta\; PE\_F$ donde está el cambio el $\backslash \; el\; delta\; PE\_F$ en la energía potencial asociada a ese particular forzar. Las notaciones mas comunes para la energía potencial son el PE del y el U . El potencial eléctrico, o el voltaje, se denota a menudo con un V .

¡Energy< potencial gravitacional! -- Esta sección se liga de la energía de enlace gravitacional -->

La energía potencial gravitacional es la energía potencial asociada a la fuerza gravitacional . Si un objeto cae del punto A para señalar B dentro de un campo gravitacional, la fuerza de la gravedad hará el trabajo positivo sobre el objeto y la energía potencial gravitacional disminuirá por la misma cantidad.

Por ejemplo, considerar un libro, colocado encima de una tabla. Cuando el libro se levanta del piso a la tabla, la fuerza gravitacional hace el trabajo negativo. Si el libro se vuelve de nuevo al piso, el exacto el mismo (pero el positivo) trabajo será hecho por la fuerza gravitacional. Así, si el libro se golpea de la tabla, este trabajo (llamado energía potencial) va a acelerar el libro (y se convierte en la energía cinética ). Cuando el libro golpea el piso esta energía cinética es convertida en calor y sonido por el impacto.

Los factores que afectan a la energía potencial gravitacional de un objeto son su altura concerniente a un cierto punto de referencia, su masa, y la fuerza del campo gravitacional que está adentro. Así, un libro que miente en una tabla tiene menos energía potencial gravitacional que el mismo libro encima de un armario más alto, y menos energía potencial gravitacional que un libro más pesado que miente en la misma tabla. Un objeto en cierta altura sobre la superficie de la luna tiene menos energía potencial gravitacional que en la misma altura en la tierra porque la gravedad de la luna es más débil. (Esto sigue de la ley de la gravitación de Newton porque la masa de la luna es mucho más pequeña que la de la tierra.) Es importante observar ese " height" en el sentido común del término no puede ser utilizado para los cálculos gravitacionales de la energía potencial cuando la gravedad no se asume para ser un constante. Las secciones siguientes proporcionan más detalle.

La fuerza de un campo gravitacional varía con la localización. Sin embargo, dentro de una pequeña gama de distancias del centro de la fuente del campo gravitacional, esta variación en fuerza de campo es insignificante y podemos asumir que la fuerza de la gravedad en un objeto particular es constante. Cerca de la superficie de la tierra, por ejemplo, asumimos que la aceleración de la gravedad es un constante g =9. Si asumimos que la fuerza de la gravedad es constante, una expresión simple para la energía potencial gravitacional se puede derivar usar el ecuación de W = del Fd para el trabajo, y el $W\_F\; de\; la\; ecuación\; =\; -\; \backslash \; delta\; PE\_F$. Si el h es la altura sobre un punto de referencia arbitrariamente asignado, entonces $\backslash ,\; el\; PE\; =\; mgh$ donde está la energía el PE del potencial gravitacional de un objeto del total m en ese punto.

Por lo tanto, la diferencia potencial es $del\; \backslash ,\; \backslash \; el\; PE\; del\; delta\; =\; magnesio\; \backslash \; el\; delta\; h$.

Sin embargo, si la fuerza de la gravedad varía demasiado para que esta aproximación sea válida, después nosotros tienen que utilizar la definición general, integral del trabajo para determinar energía potencial gravitacional. Para derivar la fórmula siguiente, el punto de referencia donde el PE del = 0 se fija en una distancia infinita lejos de la fuente del campo gravitacional proporcionado por el total m ₂. Así, desemejante de la fórmula de la aproximación del PE = del mgh del, esta fórmula asume un punto de referencia de la precolocación que el no pueda ser definido arbitrariamente. Para que la ecuación ser válida, el m ₂ debe siguen siendo prácticamente inmóvil de modo que su campo gravitacional no cambie en un cierto plazo.

La energía potencial gravitacional de un total m ₁ en un R de la distancia de otro total m ₂ es el PE del $del$

l = - G \ frac {m_1 m_2} {R} .

Recordar, la muestra negativa es necesario.

Esta ecuación es encontrada por el que integra la fuerza gravitacional (cuya magnitud es dada por la ley de la gravitación de Newton ) con respecto a la distancia del r del objeto del cuerpo de gravitación de r = R al = \ infty del $r.$

Energía potencial de elástico

considera también:

la energía potencial de elástico La energía potencial de elástico es la energía potencial de un objeto elástico (por ejemplo un arco o una catapulta) que esté deformido bajo la tensión o compresión (llamada a menudo bajo tensión de la palabra por los físicos). Se presenta como consecuencia de una fuerza que intente restaurar el objeto a su forma original, que es lo más a menudo posible la fuerza electromágnetica entre los átomos y las moléculas que constituyen el objeto.

Cálculo de la energía potencial de elástico

En el caso de un resorte del natural l de la longitud y del módulo del &lambda del de la elasticidad ; bajo extensión del x, energía potencial de elástico se puede calcular usar la fórmula: = \ frac {\ lambda x^2} {2l} del $E\; del$

l

Esta fórmula se obtiene del integral de la ley de Hooke:

$U\_e\; =\; \backslash \; internacional\; \{\}\; \backslash ,\; de\; k\; x\; =\; \backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\; k\; x^2$ del dx

La ecuación es de uso frecuente en cálculos de posiciones del equilibrio mecánico .

En el caso general, la energía de elástico es dada por el potencial de Helmholtz por la unidad del f del volumen en función del _ij del ε de los componentes del tensor de tensión :

$f\; (\backslash \; epsilon\_\; \{ij\})\; =\; \backslash \; lambda\; \backslash \; ido\; (\backslash \; sum\_\; \{i=1\}\; ^\; \{3\}\; \backslash \; epsilon\_\; \{ii\}\; \backslash \; derecho)\; ^2+2\; \backslash \; MU\; \backslash \; sum\_\; \{i=1\}\; ^\; \{3\}\; \backslash \; sum\_\; \{j=1\}\; ^\; \{3\}\; \backslash \; epsilon\_\; \{ij\}\; ^2$

Donde están los coeficientes el λ y el μ elásticos de Lamé. La conexión entre los componentes del tensor de tensión y los componentes del tensor de tensión es: $del$

l \ _S = \ dejado (\ frac {\ f parcial} {\ parcial \ epsilon_ {ij}} \ derecho) del sigma_ {ij}

Para un material del módulo de Young, Y (igual que el módulo del &lambda del de la elasticidad; ), superficie transversal, A ₀, longitud inicial, l ₀, que es estirado por una longitud, $\backslash \; delta\; l$:

$U\_e\; =\; \backslash \; internacional\; \{\backslash \}\; \backslash ,\; del\; frac\; \{Y\; A\_0\; \backslash \; delta\; l\}\; \{l\_0\}\; DL\; =\; \backslash \; frac\; \{Y\; A\_0\; \{\backslash \; delta\; l\}\; ^2\}\; \{2\; l\_0\}$

l donde está la energía U_e potencial de elástico.

La energía potencial de elástico por volumen de unidad se da cerca: $del\; \backslash \; frac\; \{U\_e\}\; \{A\_0\; l\_0\}\; =\; \backslash \; =\; \backslash \; frac\; \{1\}\; \{2\}\; Y\; \{\backslash \; varepsilon\}\; ^2$ del frac {Y {\ delta l} ^2} {2 l_0^2}

l donde está la tensión = \ frac {\ delta l} {l_0} del $\backslash \; del\; varepsilon\; en\; el\; material.$

Energía potencial química

La energía potencial química es una forma de energético potencial al arreglo estructural de átomos o de moléculas. Este arreglo puede ser el resultado de los vínculos químicos dentro de una molécula o de otra manera. La energía química de una sustancia química se puede transformar a otras formas de energía por una reacción química . Por ejemplo, cuando se quema un combustible la energía química se convierte al calor, igual es el caso con la digestión del alimento metabolizada en un organismo biológico. Las plantas verdes transforman la energía solar a la energía química con el proceso conocido como fotosíntesis, y la energía eléctrica se puede convertir a la energía química con reacciones electroquímicas .

El potencial químico del término similar es utilizado por los químicos para indicar el potencial de una sustancia para experimentar una reacción química.

Energía potencial eléctrica

considera también:

la energía eléctrica

Un objeto puede también tener energía potencial en virtud de su carga eléctrica y varias fuerzas relacionadas con su presencia. Hay tres clases principales de esta clase de energía potencial; energía potencial electrostática, energía potencial electrodinámica (también a veces llamada energía potencial magnética), y energía potencial nuclear.

Energía potencial electrostática

En caso de que la carga eléctrica de un objeto se pueda asumir para estar en descanso, tiene energía potencial debido a su posición concerniente a otros objetos cargados. La energía potencial electrostática es la energía de una partícula eléctricamente cargada (en descanso) en un campo eléctrico. Se define como el trabajo que se debe hacer para separarla desde una distancia infinita a su actual localización, en la ausencia de cualquier fuerza no eléctrica en el objeto. Esta energía es diferente a cero si hay otro objeto eléctricamente cerca cargado.

El ejemplo más simple es el caso de dos punto-como los objetos A₁ y A₂ con el q₁ de las cargas eléctricas y el q₂ . El W del trabajo requerido para mover A₁ desde una distancia infinita a un d de la distancia lejos de A₂ se da cerca: $W=k\; del\; \backslash \; frac\; \{q\_1q\_2\}\; d$ donde está el k constante del culombio, igualar al $\backslash \; al\; frac\; 1\; \{4\; \backslash \; pi\; \backslash \; epsilon\_0\}$.

Esta ecuación es obtenida integrando la fuerza de culombio entre los límites de infinito y el d .

Una cantidad relacionada llamada el potencial eléctrico es igual a la energía potencial eléctrica de una carga de unidad.

Energía potencial electrodinámica

En caso de que un objeto cargado o sus partículas cargadas constitutivas no esté en descanso, genera un campo magnético que da lugar a otra más forma de energía potencial, llamada a menudo como energía potencial magnética . Esta clase de energía potencial es un resultado del magnetismo del fenómeno, por el que un objeto que es magnético tenga el potencial para mover otros objetos similares. Los objetos magnéticos se dicen para tener cierto momento magnético del . Los campos magnéticos y sus efectos se estudian mejor bajo electrodinámica .

Energía potencial nuclear

la energía potencial nuclear del, es la energía potencial de las partículas dentro de un núcleo atómico, algo cuyo de hecho se cargan eléctricamente. Esta clase de energía potencial es diferente de las dos clases anteriores de energías potenciales eléctricas porque en este caso las partículas cargadas están extremadamente cerca de uno a. Las partículas nucleares están limitadas juntas no debido a la fuerza coulombic pero debido a la fuerza nuclear fuerte que ata partículas nucleares más fuerte y de cerca. Las fuerzas nucleares débiles proporcionan la energía potencial para ciertas clases de decaimiento radiactivo, tales como decaimiento beta .

Las partículas nucleares como los protones y los neutrones no se destruyen en procesos de la fisión y de la fusión, pero las colecciones de ellos tienen menos masa que si estaban individualmente libres, y esta diferencia total se libera como calor y radiación en reacciones nucleares (el calor y la radiación tienen la masa que falta, pero se escapa a menudo del sistema, donde no se mide). La energía Sun, también llamado la energía solar, es un ejemplo de esta forma de conversión de energía. En el Sun, el proceso de la fusión del hidrógeno convierte cerca de 4 millones de toneladas métricas de materia solar por segundo en la luz, que se irradia en espacio.

Energía potencial termal

La energía termal de un objeto es simplemente una suma de energía cinética media del movimiento al azar de las partículas que constituyen el objeto más la energía potencial media de su dislocación (de sus posiciones de equilibrio) como oscilan/se mueven alrededor de ella. En caso del gas ideal no hay energía potencial debido a las interacciones de partículas, pero la energía cinética puede incluir la parte rotatoria también (para los gases multiatomic) - si los niveles rotatorios es emocionada en el dado T de la temperatura.

Energía total de resto

El Albert Einstein era el primer para calcular la cantidad de trabajo necesaria para acelerar un cuerpo de resto a una cierta velocidad finita usar su definición del ímpetu relativista . A su sorpresa, este trabajo contuvo un término adicional que no desapareció mientras que la velocidad del cuerpo acelerado se acercó a cero:

l $E\_0\; =\; m\; c^2.\; \backslash ,$

Este término ( E₀ ) por lo tanto fue llamado energía de la masa del resto, como el m es la masa de resto del cuerpo ( c es la velocidad de la luz en un vacío ). (El cero suscrito se utiliza aquí para distinguir esta forma de energía de las otras que siguen. En la mayoría de los otros contextos, la ecuación se escribe sin subíndice.)

Así pues, la energía total de resto es la cantidad de energía inherente en la masa cuando está en descanso. Si los cambios totales, deben su energía total de resto que deba ser lanzada o absorbieron tan debido a la ley de ahorro de energía. Así, esta ecuación cuantifica la equivalencia de la masa y de la energía.

Debido al valor numérico grande de la velocidad de la luz ajustada, incluso una pequeña cantidad de masa es equivalente mismo a una gran cantidad de energía, a saber 90 Petajoules por el megatón del ≈ 21 del kilogramo de TNT por kilogramo.

Relación entre la energía potencial y la fuerza

La energía potencial se liga de cerca a las fuerzas . Si la mudanza hecha trabajo a lo largo de una trayectoria que comience y los extremos en la misma localización es cero, después la fuerza reputa a conservador y es posible definir un valor numérico del potencial asociado a cada punto en espacio. Un campo de fuerza puede re-ser obtenido tomando el gradiente del vector del campo potencial.

Por ejemplo, la gravedad es una fuerza conservadora . El trabajo hecho por una masa de unidad que va del punto A con el $U\; =\; a$ para señalar B con el $U\; =\; b$ por gravedad es el $(b\; -\; a)$ y el ir hecho trabajo detrás la otra manera es el $(a\; -\; b)$ de modo que el trabajo total hecho del $U\_\; del\; \{A\; \backslash \; a\; B\; \backslash \; a\; A\}\; =\; (b\; -\; a)\; +\; (a\; -\; b)\; =\; 0\; \backslash ,$ Si redefinimos el potencial en A para ser $a\; +\; c$ y el potencial en B para ser $b\; +\; c$ $c$ puede ser cualquier número, positivo o negativo, pero debe ser el mismo número para todos los puntos entonces el ir hecho trabajo del $U\_\; del\; \{A\; \backslash \; a\; B\}\; =\; (b\; +\; c)\; -\; (a\; +\; c)\; =\; b\; -\; a\; \backslash ,$ como antes.

En términos prácticos, esto significa que usted puede fijar el cero de $U$ dondequiera que usted tiene gusto. Usted puede ser que lo fije para ser cero en la superficie de la tierra o usted puede ser que la encuentre más conveniente fijarla cero en el infinito.

Una cosa a la nota sobre fuerzas conservadoras es que la A a el B que van hechos trabajo no depende de la ruta tomada. Si hiciera entonces sería insustancial definir un potencial en cada punto en espacio. Un ejemplo de una fuerza no-conservadora es fricción. Con la fricción, la ruta que usted toma afecta a la cantidad de trabajo hecha, y no tiene ningún sentido en absoluto de definir un potencial asociado a la fricción.

Todos los ejemplos antedichos son realmente energía almacenada del campo de fuerza (a veces en disfraz). Por ejemplo en energía potencial de elástico, estirar un material de elástico fuerza el separado muy levemente posterior de los átomos. El equilibrio entre las fuerzas electromágneticas y la repulsión de Pauli de los electrones (son los fermios que obedecen las estadísticas de Fermi) se viola levemente dando por resultado pequeña fuerza de vuelta. Los científicos hablan raramente de fuerzas en una escala atómica . Las interacciones se describen a menudo en términos de energía algo que fuerzan. Usted puede pensar en energía potencial como siendo derivado de fuerza o de usted puede pensar en fuerza como siendo derivado de energía potencial (aunque el 3ultimo acercamiento requiere una definición de la energía que es independiente de la fuerza que no existe actual).

Una fuerza conservadora se puede expresar en la lengua de la geometría diferenciada como forma cerrada . Porque el espacio euclidiano es el contractible, su cohomology de De Rham desaparece, así que cada forma cerrada es exacta, es decir, es el gradiente de un campo escalar. Esto da una justificación matemática del hecho de que todas las fuerzas conservadoras son gradientes de un campo potencial.

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