Energía Elástica

La energía elástica es un tipo de energía potencial que está asociado con la configuración interna de los materiales. Esta energía potencial se refiere a aquella contenida por un objeto elástico cuando es deformado (estirado, separado, etc.), y que posteriormente es liberada, ya que el objeto tiene una tendencia natural a regresar a su estado inicial, de equilibrio.

Los físicos y los matemáticos se han interesado por la energía elástica desde la antigüedad, ya que la podemos presenciar fácilmente en la cotidianidad, por ejemplo, cuando se estira una goma, oprime un botón y al tocar una guitarra. Sin embargo, en el pasado, la energía elástica era explotada con fines bélicos, para otorgar capacidad asesina a arcos, ballestas y catapultas.

La energía elástica usualmente es ilustrada con el mecanismo de un resorte, un objeto esencial en varios dispositivos modernos, como las suspensiones de los automóviles y en las sillas plegables. Inclusive, así como hay materiales sólidos elásticos que se deforman y contienen energía elástica, existen líquidos que cuando son comprimidos son capaces de acumular energía elástica.

Ejemplos de energía elástica

Los ejemplos de la energía elástica son muy abundantes, ya que, como mencionamos introductoriamente, los materiales elásticos han resultado ser muy útiles para la humanidad. Así, entre los ejemplos más representativos están los siguientes:

Resortes


El resorte es la muestra principal de la capacidad de la energía elástica para efectuar algún trabajo, como poner en movimiento a algún objeto o para amortiguar alguna fuerza. Este objeto resistente es incapaz de sufrir deformaciones permanentes, gracias a que es elaborado con acero al carbono, acero inoxidable, entre otras materiales elásticos.

Arcos


A pesar de ser una arma, el arco moderno se ha vuelto en una fuente de entretenimiento, pasando a ocupar un lugar en las olimpiadas. La energía potencial del arco no depende exclusivamente de la cuerda, es necesario que toda su estructura sea elástica y flexible, para garantizar una liberación adecuada del potencial, el cual será transmitido como energía cinética a la flecha.

Trampolines


Estas camas ultrafinas como membranas, emplean la energía elástica de la forma más frívola y, a la vez, más interesante, ya que permiten que interaccionen sucesivamente dos tipos de energía potencial. En un principio, cuando el trampolín es estirado por el peso de la persona, reúne energía elástica que cuando es liberada se convierte en energía cinética, haciendo que la persona adquiera mayor altura de salto, lo que implica mayor energía potencial gravitacional. Luego, la energía gravitacional disminuye con el descenso, reiniciando el proceso.

Cómo se produce

La energía elástica es producida por la acción de una fuerza que desplaza o deforma a un objeto, cambiando su posición o estado inicial. No obstante, este cambio no es permanente, ya que la elasticidad del objeto hace reversible el proceso de deformación o desplazamiento, retornando a su configuración de equilibrio.

Gracias a la reversibilidad elástica de la deformación, el material es capaz de acumular energía interna, y de liberarla una vez la deformación se detenga y decaiga. Este escenario sucede idealmente durante el estiramiento de un resorte, cuyo mecanismo se rige por la Ley de la elasticidad de Hooke.

Cómo funciona

La energía elástica funciona a través de unos principios básicos de la física, los cuales se desarrollaron en la época de Newton, y que posteriormente fueron refinados con nuevos conceptos matemáticos.

Robert Hooke
  • Conservación de la energía: esta ley le permite al objeto deformado, o estirado, deshacerse de toda la energía potencial elástica adquirida, convirtiéndola en energía cinética (y en energía sónica, en algunos casos), la cual se disipara paulatinamente a medida que la velocidad de su movimiento oscilante disminuya. De esta forma, puede regresar a su estado de equilibrio.
  • Ley de Hooke: establece que durante un estiramiento longitudinal, la deformación del material elástico es proporcional a la fuerza aplicada. Esta ley es vital para formular la matemática de la energía elástica.

Usos

La energía elástica es uno de los tipos de energía más tangibles, debido a que puede ser encontrada comúnmente. A lo largo de este post se ha mencionado algunos usos de la energía elástica, sin embargo, a continuación se mencionaran los más importantes:

Sistema de amortiguación antiguo.
  1. Creación del sistema de suspensión y amortiguación de los automóviles, el cual es conocido como ballesta, un resorte de flexión.
  2. Diseño de las vigas y columnas de edificaciones. Predicción aproximada del comportamiento estructural frente determinados factores.
  3. Elaboración de instrumentos y herramientas útiles de variada categoría, como bolígrafos, pinzas y sillas plegables.

Fórmula matemática

En física, la energía elástica es definida como el trabajo realizado por una fuerza para desplazar un objeto. Es un requisito básico que esta fuerza actuante siga la Ley de Hooke. De esta forma, resolviendo la ecuación diferencial del trabajo se obtiene:

\[E=\frac{1}{2}*k*x^{2} \]

Dónde:

  • E: energía elástica.
  • k: constante elástica.
  • x: deformación o desplazamiento.