PRINCIPIOS TEORICOS

Energía Potencial Elástica

En los sistemas formados por un objeto que interacciona con algo elástico, como un resorte o una liga, la fuerza que actúa sobre los componentes del sistema es directamente proporcional a la distancia que el elástico se estira o se comprime. Si un peso de 10 N colgado de un resorte provoca que se estire 5 cm, un peso de 20 N causará que el resorte se estire 10 cm.

La relación entre la magnitud de la fuerza (F) y el cambio en la longitud del medio elástico (x) puede expresarse como: F = K x donde K es una constante que tiene un valor distinto para cada cuerpo elástico y es una medida de su rigidez. Entre más grande sea el valor de K, para un resorte por ejemplo, mayor fuerza habrá que aplicar para estirarlo o comprimirlo una distancia x.

Las unidades de la constante K son kg/s2, y al multiplicarlas por las unidades del cambio de longitud x en el SI (m), se obtienen unidades de fuerza

La en(kg × m/s2 = newton). ergía potencial de un sistema formado por un medio elástico en contacto con otro cuerpo también depende de los valores de K y del cambio de longitud x. En particular, es mayor entre más rígida es la parte elástica y entre más se deforma, pues eso hace que el sistema pueda adquirir mayor energía cinética cuando se suelte. Cuando disparas una liga para golpear un objeto, ¿qué prefieres, una liga dura o una blanda?, ¿la estiras mucho o poco?

Para evaluar la energía potencial elástica (Ep) del sistema es necesario tomar el siguiente producto:

Así, al comprimir 2 × 102 m (2 cm) el resorte de una pistola de dardos, con una constante elástica K = 4 × 102 kg/s2, la energía potencial elástica que adquiere es: Este valor da una idea de la energía cinética que puede adquirir el dardo al ser disparado. Como puedes ver, la energía potencial elástica también se mide en joules en el Sistema Internacional de Unidades, lo mismo que cualquier otra forma de energía, por lo que el joule se considera la unidad de medida de la energía en el SI.

Energía Potencial Gravitatoria

Para desarrollar el concepto de energía potencial gravitatoria, consideramos inicialmente un sistema formado por dos cuerpos (de masas m1 y m2) separados a una cierta distancia (r). Podemos entender que dicho sistema tiene energía potencial de origen gravitatorio, pensando que, si se fija a uno cualquiera de los cuerpos y se deja libre al otro, la acción de la fuerza gravitatoria hará al cuerpo libre avanzar cada vez más rápido hacia el otro. Este sería un proceso "espontáneo" (impulsado por las fuerzas gravitatorias del sistema que forman ambos cuerpos) en el que la energía potencialgravitatoria inicial de dicho sistema disminuye, a

la vez que aumenta la energía cinética.

De acuerdo con esto, la energía potencial gravitatoria, además de depender de las masas de ambos cuerpos,

es mayor cuanto más separados estén. Su expresión (deducción en este documento) es:

Su valor equivale (con signo opuesto) al del trabajo mínimo que tendría que realizar una fuerza exterior para alejar a las masas del sistema completamente (hasta una separación infinita)

La energía potencial gravitatoria sólo toma valores negativos, en coherencia con el hecho de que la fuerza gravitatoria es siempre de atracción. La definición genérica de energía potencial requiere considerar que otras interacciones (por ejemplo, la fuerza eléctrica) pueden ser también de repulsión y, para ese caso, la energía potencial es positiva. Con este criterio, el valor máximo de la energía potencial gravitatoria es cero y corresponde a una separación infinita entre los cuerpos.

MATERIALES:

1Balanza

Soporte universal

Juego de pesas

Resortes

1 Clamp

Portapesas

OBJETIVOS

Investigar sobre los cambios de energía potencial elástica en un sistema bloque-resorte.

Establecer diferencias entre las energías potenciales elástica y gravitatoria. Comprobar experimentalmente la conservación de la energía

mecánica.

Analizar los cambios de energía potencial en energía cinética.

Analizar las transformaciones de energía potencial gravitaría en energía elástica.