Energía Potencial Gravitacional

La energía potencial gravitacional, directamente dependiente de la fuerza gravitatoria, es una especie de energía provocada por la influencia de los campos gravitatorios. Esta clase de energía puede manifestarse gracias que dos cuerpos con masa se aproximen de una manera tal, que cada uno pueda incidir en el estado del otro cuerpo.

Tanto en la física como en la astrofísica se han hecho estudios exhaustivos desde los tiempos de Newton, acerca de esta energía potencial, y gracias a ello puede definirse claramente como: La energía resultante de que dos cuerpos con masa definida estén a una determinada distancia del otro, logrando atraer o desviar un cuerpo mediante la acción de la gravedad producida por los cuerpos.

La energía potencial gravitacional se despliega a través del espacio mediante un campo gravitacional. Estos campos son producidos debido a la existencia de cierta cantidad de masa en un punto, cuando mayor sea la masa, mayor será la intensidad de su influencia y mayor será el alcance de la misma. De igual forma, todos los cuerpos que tengan masa, serán afectados por estos campos gravitatorios.

Ejemplos

La energía potencial gravitacional puede apreciarse a simple vista de muchas maneras, por lo que se pueden destacar algunos de los claros ejemplos de energía potencial gravitacional.

Estrellas fugaces


Este fenómeno tan atractivo visualmente desde la superficie terrestre, ocurre tanto por la acción de la fricción de los cuerpos provenientes del espacio contra la atmósfera, como por la energía potencial gravitacional que contenían, lo que hace que aquellos meteoritos y demás objetos que están en la zona de influencia gravitatoria de la Tierra sean atraídos por ella por su gran masa.

Satélites en órbita


Por satélites pueden entenderse como todos aquellos cuerpos que orbitan a otro en el espacio y los acompañan durante su traslación. Este es un claro ejemplo natural de esta clase de energía potencial. A pesar de que los objetos se observarse estáticos en una órbita constante, estos movimientos son el equilibrio entre la energía potencial gravitacional y la energía cinética que los mantiene alejados de la superficie, lo que hace que los satélites estén siempre en “caída libre”.

Gimnasia


Tal vez no se calcule al igual que la energía potencial de los satélites, pero de igual forma, los gimnastas deben manejar con habilidad su energía cinética y su energía potencial gravitacional. En especial por los movimientos rápidos y las grandes alturas que alcanzan estos deportistas, la energía acumulada en su totalidad puede provocar graves lesiones en los miembros y articulaciones si la persona no es capaz de soportarla.

Montañas con material suelto


Se puede apreciar en los derrumbes de laderas, avalanchas de nieve y desprendimientos de rocas, que todos los cuerpos y grandes masas de tierra contenidos a una gran altura, acumulan una tremenda energía potencial gravitacional, llegando a arrasar con poblados y hectáreas de vegetación.

Deportes de nieve

Es difícil enumerar un deporte donde no se tome en cuenta este tipo de energía. Incluso en las disciplinas deportivas de invierno, se deja ver un notable aprovechamiento de la energía potencial gravitacional, como ocurre en el snowboarding, tubing, esquí y muchas otras actividades de la nieve, ya que constan en dejarse llevar por la gravedad a través de superficies lizas o de fácil deslizamiento.

Cómo se origina

La energía potencial gravitacional se origina debido a la influencia y fuerza ejercida por un campo gravitatorio sobre un cuerpo con masa, lo que hace que el cuerpo sea capaz de movilizarse si su configuración en el sistema se lo permite. Esta clase de energía, se encuentra en aquellos cuerpos que tienen la capacidad futura de dejarse influenciar por esta fuerza gravitatoria y que de alguna forma pueden incluso aprovecharse para beneficio del humano.

Campo gravitacional terrestre

Cómo funciona

La energía potencial gravitatoria se puede comprender y simplificar en unos cuántos factores, que son los más importantes en esta clase de energía. Llegando a entender estos conceptos simples, se puede tener una noción suficiente de cómo funciona esta energía:

  • Campo gravitacional: Es aquel que define el área de acción e influencia de un cuerpo con masa en el espacio. Se entiende como un sector, donde se deforma la curvatura espacio temporal y tiende a redirigir los demás cuerpos hacia el cuerpo celeste.
  • Aceleración: Una de las características de los cuerpos con masa dentro de los campos gravitacionales, es que una vez dentro de ellos, comienzan a acelerar en dirección de encuentro mutuo.
  • Masa: Colocada en el epicentro del campo gravitacional, determina la intensidad del mismo, al igual que se puede estimar la cantidad de energía que será liberada una vez que el cuerpo cambie de configuración.
  • Altura o distancia: Determinarán la cantidad de energía potencial a ser liberada, a mayor distancia del centro donde se contiene la masa, mayor será la energía a aprovechar en el sistema. Por lo que también será mayor la aceleración que adquiera desde que fue afectado por el campo hasta liberarse completamente su energía.

Tipos

La energía potencial gravitacional puede manifestarse mediante otras clases de energía. De entre las cuales se pueden mencionar:

Energía cinética


La energía cinética en muchos casos cotidianos es el producto de la energía potencial gravitacional. Cuando se trata de sistemas de fuerzas, al existir la energía potencial gravitatoria, usualmente se estabiliza con la energía cinética, incluso en su forma de cálculo más simple, ambas energías se estiman de forma similar.

Energía mecánica


La energía mecánica es el producto final de las fuerzas cinéticas y potenciales existentes es un sistema, por lo que incluye en consideración, a la energía potencial gravitatoria. Muchos sistemas y configuraciones mecánicas, toman en cuenta para su funcionamiento a la acción potencial de la gravedad.

Radiación hidráulica


El aprovechamiento de la energía hidráulica ocurre gracias a la acción del movimiento del agua que pasa a través de una turbina que genera una corriente eléctrica. Funcionamiento que solo puede llevarse a cabo, por el movimiento de las grandes masas de agua, que a su vez, son desplazadas por la acción de la gravedad, muchas veces desde grandes alturas hasta puntos más bajos donde se aprovecha la energía acumulada del trayecto.

Usos

La energía potencial gravitacional está latente incluso cuando las personas están de pie, simplemente por tener una altura y una masa definidas, se tiene una energía potencial gravitatoria, que puede tener diversos usos y finalidades.

Grúas en un puerto de carga.
  1. Para generar mayores velocidades en las atracciones turísticas y parques temáticos, estas estructuras y mecanismos están específicamente diseñados para soportar y aprovechar la energía potencial gravitatoria inerte en casa uno de los elementos, creando así una mejor experiencia para los usuarios.
  2. Los ascensores necesitan subir y bajar a la suficiente velocidad como para ser una opción indiscutible ante el uso de las escaleras, así que se utilizan juegos de contrapesos, los cuales se liberan y generan la suficiente energía potencial y cinética como para elevar o descender grandes cargas con seguridad y rapidez.
  3. Los sistemas de montacargas pesadas utilizan sistemas similares al de los ascensores, como lo son las grúas, emplean pesas en el extremo opuesto al de agarre, para poder estabilizarse mediante la gravedad ante el movimiento de objetos, contenedores, cargas y demás elementos que tengan un peso considerable.
  4. En el ámbito de la relojería clásica, se puede apreciar la conservación de la energía potencial gravitatoria en el movimiento constante de los péndulos, que aprovechan la energía cinética y la energía potencial por igual, para optimizar el funcionamiento de estos mecanismos.

Ventajas y desventajas

Esta clase de energía tiene aspectos positivos y negativos a tomar en cuenta si se desea comprender en su totalidad.

Ventajas

  • En esencia, es un tipo de energía que no genera ninguna clase de desperdicios o contaminantes.
  • Ya que es una propiedad intrínseca que adquieren los cuerpos con masa en la naturaleza, su intensidad solo depende de la altura y de la masa que contengan.
  • Puede obtenerse de cualquier objeto que esté a determinada altura.
  • Su implementación en la ingeniería ha facilitado la capacidad para levantar cuerpos pesados a grandes alturas.
  • Dado que se consideran pocos factores en su comportamiento, una vez conocidos todos los datos, es relativamente sencillo hacer los cálculos de esta energía y predecirla.

Desventajas

  • Si bien puede aprovecharse solo con tener objetos elevados, muchas veces se necesitan utilizar otras clases de energía para levantar los cuerpos, lo que no siempre resulta rentable.
  • Al tener que trabajarse a grandes altitudes y con grandes masas, la energía potencial gravitacional puede convertirse también en un riesgo potencial para todo aquel que se encuentre en alturas menores.
  • Al depender directamente de la gravedad, se trata de una energía en potencia sumamente compleja de controlar cuando intervienen grandes velocidades o numerosos factores externos que la manipulen.
  • La capacidad de aprovechar esta energía está limitada a la altura o distancia a la que se encuentren los objetos dentro del sistema.

Fórmula matemática

Para calcular la energía potencial gravitacional estudiada y descrita por Newton, se implementa una ecuación que garantiza calcular la energía en potencia de un cuerpo en la superficie terrestre:

En esta ecuación

  • = Energía potencial gravitatoria.
  • h= Altura del cuerpo con respecto al nivel del mar.
  • m= Masa del cuerpo elevado.