Energía potencial gravitatoria: una fuerza invisible muy valiosa

La energía potencial gravitatoria es aquella que posee un objeto por su posición en un campo gravitacional. Existe una fórmula que permite calcularla y con frecuencia se recurre a ella, sobre todo, para calcular la velocidad de un objeto cerca de la superficie de la Tierra. De hecho, se considera que la aceleración gravitatoria es constante ahí en torno a 9,8 m/s².

Para los profanos, es mucho más sencillo entender la teoría de la gravedad de Isaac Newton gracias a la imagen mítica de la manzana cayendo ante sus ojos. Sin embargo, tanto el concepto como el cálculo de la energía potencial gravitacional resultan extremadamente útiles para un buen número de innovaciones tecnológicas.

Volviendo al tema central de este artículo, y para que puedas comprender mejor sus fundamentos, ten en cuenta estas tres realidades:

• El cero de la energía potencial gravitacional se puede elegir en cualquier punto, de forma similar a lo que ocurre con la selección del cero en un sistema de coordenadas.
• La energía potencial a una altura h por encima de ese punto es igual al trabajo que se requeriría para levantar el objeto a esa altura sin un cambio neto en la energía cinética.

• Dado que la fuerza precisa para levantarlo es idéntica a su peso, se deduce que la energía potencial gravitacional es igual a su peso por la altura a la que se levanta.

   

1. ¿Qué es la energía potencial gravitatoria?

2. Fórmula de la energía potencial gravitatoria

3. Innovadoras aplicaciones prácticas impulsadas por la energía potencial gravitatoria

4. Consideraciones y limitaciones en torno a la energía potencial gravitatoria

¿Qué es la energía potencial gravitatoria?

La energía potencial gravitatoria —también conocida como energía de la gravedad— es una forma de energía presente en los objetos por su posición en relación con la Tierra u otros cuerpos celestes.

Al descubrir la esencia de esta forma de energía, comprendemos cómo actúa la fuerza de la gravedad sobre los objetos y de qué modo se almacena esta energía de la gravedad. En líneas generales, surge cuando un objeto se eleva a una altura determinada en un campo gravitatorio. Cuanto mayor sea la altura a la que se encuentra el objeto, mayor será la energía que nos ocupa.

Este concepto básico nos permite entender por qué un objeto cae cuando es liberado desde una cierta altura. Al desplazarse hacia abajo, ese elemento libera gradualmente su energía potencial gravitatoria y se convierte en energía cinética, lo que le posibilita moverse y realizar trabajo.

Comprender la esencia de la energía potencial gravitatoria es crucial para aprovecharla en diversas aplicaciones prácticas y explorar su potencial como fuente de energía renovable.

Un ejemplo revelador

¿Y si plasmamos la anterior explicación teórica con un ejemplo? Seguramente, te ayudará a entender mejor esta realidad. Te lo planteamos paso a paso, incluso puedes animarte a reproducir el proceso en la práctica para comprobar el resultado:

1. Toma dos pelotas.
2. Coloca una en el suelo y pon la otra en la palma de tu mano.
3. Deja caer la bola de la mano en dirección a la del suelo (tan solo suéltala, sin hacer ningún esfuerzo manual).
4. Lo más probable es que cuando la pelota de la mano golpee a la del suelo, esta también se mueva.
5. Es decir, se ha producido un cambio o una transformación.
6. Como todos los trabajos, ha requerido energía para efectuarse.

Este sencillo experimento permite apreciar que la energía necesaria para mover la segunda bola, situada en el suelo, ha de proceder de algún sitio. En este caso, de la pelota que sujetábamos con la mano.

Ahora bien, esta bola no ha sido impulsada, sino que estaba en estado de reposo. Aun así, la pelota de la mano se ha desplazado sin ejercer ningún trabajo adicional, simplemente porque se ha “caído”.

Por tanto, la energía procede de la posición que ocupaba la pelota al estar influenciada por la energía gravitatoria del suelo y, así, se ha movido hasta golpear a la otra. Esta es, precisamente, la llamada energía potencial gravitatoria.

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Fórmula de la energía potencial gravitatoria

Los especialistas en ciencia y tecnología saben que, para estudiar el universo y las leyes físicas que lo rigen, resulta indispensable poder expresar las magnitudes mediante las matemáticas.

Esta es la fórmula de la energía potencial gravitatoria:

Ep = m·g·h

Aquí tienes las claves para interpretarla:

• Ep: Energía potencial de un cuerpo concreto.
• m: Masa del cuerpo.
• g: Valor de la aceleración producido por la gravedad.
• h: Altura a la que se encuentra el cuerpo.

De este modo, tienes la posibilidad de conocer la energía de la gravedad de un cuerpo aplicando esta ecuación, para lo que debes contar con la masa del cuerpo, el valor de la aceleración de la gravedad y la altura desde la que caería el cuerpo en cuestión.

Sin embargo, hay que considerar un aspecto relativo a la aceleración ejercida por la gravedad. Lo cierto es que esta fórmula solo sería válida si el cuerpo se encuentra a poca distancia de la superficie del suelo. Para distancias mayores, habría que realizar cálculos más complejos y contemplar otras magnitudes y elementos relacionados con la forma de la caída del objeto.

Ciertamente, la fórmula de la energía potencial gravitatoria surge de la ley de la gravedad y plasma el trabajo realizado contra ella para llevar una masa a un punto dado en el espacio. Debido a la naturaleza del cuadrado inverso de la fuerza de la gravedad, esta se aproxima a cero para grandes distancias, y tiene sentido escoger el cero de la energía de la gravedad a una distancia infinita.

Por ello, esta magnitud es negativa cuando se está cerca de un planeta, ya que la gravedad realiza un trabajo positivo conforme se aproxima la masa. Este potencial negativo es indicativo de un estado ligado; es decir, una vez una masa está cerca de un cuerpo grande, queda atrapada hasta que algo logra proveerle de suficiente energía para permitirle escapar.

¿Cómo funciona y de dónde proviene la energía potencial gravitatoria?

La energía potencial gravitatoria es la energía que un objeto posee debido a su posición en un campo gravitacional. Cuanto más alto se encuentra un objeto con respecto a la superficie terrestre (o a otro punto de referencia), mayor es su energía potencial gravitatoria.

Esta energía proviene de la interacción entre la masa del objeto y la fuerza gravitatoria de la Tierra (o de cualquier otro cuerpo celeste). La gravedad es una fuerza de atracción que actúa sobre todos los objetos con masa, y es lo que hace que un objeto elevado tenga la capacidad de caer.

La energía potencial gravitatoria se almacena en los objetos cuando son elevados contra la fuerza de la gravedad. La energía potencial gravitatoria se almacena en los objetos cuando son elevados contra la fuerza de la gravedad. Se calcula con la fórmula:

Innovadoras aplicaciones prácticas impulsadas por la energía potencial gravitatoria

La energía de la gravedad posee una amplia gama de aplicaciones prácticas que impulsan la innovación multidisciplinar. Hemos seleccionado un par de ejemplos ilustrativos.

Generación de electricidad

Mediante el uso de sistemas de almacenamiento y liberación controlada de objetos pesados, se puede convertir en energía eléctrica. Para lograrlo se elevan objetos pesados a una altura determinada y, después, se permite que caigan, lo que genera electricidad a través de un generador.

Esta técnica se está usando con éxito en proyectos de centrales hidroeléctricas de bombeo, en las que:

• El agua se bombea a un embalse superior durante los períodos de baja demanda energética.
• A continuación, se deja caer para producir electricidad cuando la demanda es alta.

Transporte y logística

Se han desarrollado sistemas de almacenamiento y liberación de energía potencial gravitatoria para impulsar vehículos, especialmente en zonas montañosas.

Estos sistemas emplean contrapesos pesados que se elevan a alturas determinadas mediante motores eléctricos, antes de ser liberados e impulsan el vehículo hacia arriba. Se trata de una tecnología alternativa eficiente y sostenible para los vehículos convencionales, sobre todo, en áreas con pendientes pronunciadas.

Son solo un par de ejemplos significativos entre otros muchos, dado que la energía de la gravedad está evidenciando su versatilidad y capacidad para desplegar soluciones innovadoras en diferentes sectores.

Consideraciones y limitaciones en torno a la energía potencial gravitatoria

Esta forma de energía invisible influenciada por la gravedad está presente en todos los objetos que tienen masa. Pese a sus múltiples y esperanzadoras aplicaciones prácticas, debes conocer estos matices y limitaciones de uso:

• Necesidad de espacios idóneos para instalar los sistemas.
• Exigencia de ciertas condiciones geográficas específicas. De lo contrario, no es posible disponer de ella. Para aprovecharla al máximo, son precisos lugares con desniveles significativos o ríos con corrientes fuertes.
• Dependencia de la altura a la que se halla el objeto. Cuanto mayor sea, mayor será la energía de la gravedad almacenada.
• Dificultades al aprovecharla. Por ejemplo, para convertirla en energía utilizable se requiere un sistema capaz de capturarla y de transformarla eficientemente. A su vez, el proceso de conversión puede estar sujeto a pérdidas de energía debido a la fricción o a la resistencia del medio.

Con todo, se erige como una fuerza invisible con un gran potencial para transformar nuestra forma de obtener y utilizar la energía.

Algunas curiosidades fascinantes sobre esta forma de energía

Para aportar algo más de luz a esta realidad energética maravillosa, echa un vistazo a estas singularidades:

1. Su magnitud depende tanto de la masa del objeto como de su altura con respecto a un punto de referencia.
2. No solo está presente en objetos físicos, también en sistemas planetarios y galaxias enteras. No en vano, gracias a ella los planetas se mantienen en órbita alrededor del sol.
3. Su capacidad para transformarse en energía cinética —cuando algo cae desde una altura determinada— explica por qué los objetos en caída libre adquieren velocidad conforme se acercan al suelo.
4. ¡Es una forma de energía renovable!, ya que siempre existirá mientras haya gravedad.

Seguro que, llegados a este punto, entiendes la energía potencial gravitatoria como una fuerza invisible con un vasto potencial y numerosas aplicaciones prácticas. Desde su descubrimiento, ha sido objeto de estudio y está permitiendo relanzar importantes tecnologías e innovaciones. Sin embargo, todavía existen ciertos desafíos técnicos y económicos que deben ser resueltos antes de implementarla a gran escala.

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