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Energía potencial: definición, fórmulas y ejemplos

Publicado el 8 abril, 2024

Tipos de energía

La energía se refiere a la capacidad de realizar un trabajo. Existe en muchas formas, pero se puede categorizar ampliamente en dos: energía cinética y potencial. La energía cinética también se conoce como la “energía en movimiento”. Es igual a la mitad del producto de la masa del objeto y el cuadrado de su velocidad ({eq}KE=\frac{1}{2}mv^2 {/eq}). Su unidad SI es el julio (J). Una bala a gran velocidad, un automóvil en movimiento, moléculas de aire o agua que chocan y radiación electromagnética poseen energía cinética.

La energía potencial , sin embargo, se refiere a la energía almacenada debido a la posición de un objeto en relación con otros objetos o un punto de referencia. Su nombre proviene de su “potencial” para hacer trabajo. La energía potencial no se limita a la ubicación o posición del objeto, sino que también considera su estructura interna. La energía potencial se presenta en varias formas, como la energía potencial química, gravitacional y elástica. La energía potencial gravitatoria, por ejemplo, se refiere a la energía almacenada en un objeto debido a un cambio de posición mientras se ve afectado por el campo gravitacional ({eq}PE_g=mgh {/eq}). Como forma de energía, su unidad SI también es el julio (J). Los sistemas que tienen energía almacenada incluyen los siguientes:

  • el agua detrás de una presa,
  • un carro de montaña rusa en la parte superior de un bucle,
  • tirando de la cuerda de un arco, y
  • un resorte comprimido.

La energía mecánica se refiere a la suma de la energía potencial y cinética. Permanece constante mientras no actúen fuerzas disipativas externas sobre el sistema, lo que permite que la energía se transforme de energía cinética a varias formas de energía potencial y viceversa. Por ejemplo, el carro de una montaña rusa tiene la máxima energía potencial gravitatoria almacenada en la parte superior de la pista, suponiendo que no haya fricción ni otras fuerzas externas. Una vez que comienza a moverse por su camino, la energía potencial disminuye mientras que la energía cinética aumenta. Esto explica por qué las montañas rusas ganan velocidad a medida que avanzan por la pista. Cuando llega al punto más bajo de la vía, el carro alcanza su energía cinética máxima y casi pierde su energía potencial gravitacional.

La imagen muestra el carro de una montaña rusa que sube hasta la parte superior de la vía.

La energía potencial y cinética también están presentes en biología. Por ejemplo, la energía potencial se relaciona con la energía almacenada en las células vivas y los enlaces que sostienen las moléculas del átomo, mientras que el movimiento de los átomos, iones y moléculas implica energía cinética.

Energía potencial en biología

¿Qué es la energía potencial? Como se mencionó en la sección anterior, la energía potencial se refiere a la energía almacenada que se puede utilizar para realizar un trabajo. La energía potencial en biología incluye la energía almacenada en enlaces químicos, moléculas de alimentos y glucógeno.

Ejemplos de energía potencial

La energía potencial se encuentra típicamente en enlaces que mantienen unidas a las moléculas en forma de energía potencial química. Se libera cuando los enlaces químicos se descomponen, por ejemplo, durante las vías catabólicas cuando las moléculas más grandes se descomponen en formas utilizables más pequeñas. Proporciona energía para que las células vivas sobrevivan y funcionen. Algunos ejemplos específicos de energía potencial y procesos relacionados en biología incluyen los siguientes:

  • La energía potencial almacenada en los alimentos se libera y se transforma en otras formas de energía cuando los enlaces moleculares que los mantienen unidos se rompen en moléculas más pequeñas. La energía almacenada en los alimentos hace que las células vivas funcionen de manera efectiva.
  • Durante la respiración celular, las moléculas más grandes, como los carbohidratos, las proteínas y las grasas, se descomponen en moléculas más pequeñas, como el dióxido de carbono y el agua. La energía liberada durante este proceso se almacena temporalmente mediante la formación de trifosfato de adenosina (ATP, también conocida como la “moneda de la célula”). Cuando el ATP se descompone, proporciona energía valiosa para que la célula complete varios procesos biológicos, como la construcción de moléculas más grandes esenciales para la supervivencia del organismo.
  • La descomposición del glucógeno y la glucosa en el cuerpo también libera energía potencial. El glucógeno consiste en varias moléculas de glucosa conectadas de carbohidratos. La mayor parte del glucógeno en los vertebrados se almacena en el hígado, que actúa como reserva para otros tejidos y ayuda a regular los niveles de glucosa o azúcar en la sangre. Los músculos y las células grasas también contienen glucógeno almacenado, crucial para proporcionar energía durante el ejercicio y otras actividades. El cuerpo utiliza los glucógenos almacenados cuando necesita un refuerzo de energía o hay falta de glucosa por la ingesta de alimentos. El glucógeno se descompone en moléculas de glucosa, se libera en el torrente sanguíneo y se oxida para producir moléculas de ATP, proporcionando suficiente energía para la contracción muscular, el movimiento de las extremidades y otros.
El diagrama muestra la estructura del glucógeno con sus subunidades de glucosa.

Energía cinética

La energía cinética es la forma de energía asociada con objetos o sistemas en movimiento. A diferencia de la energía potencial, que se ve afectada por la posición o la estructura, la energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto. La energía cinética también se presenta en varias formas según el sistema y su movimiento. Por ejemplo, el movimiento de un objeto de un punto a otro sin un componente de rotación se caracteriza por la energía cinética de traslación. Un objeto giratorio posee energía cinética rotacional, mientras que el movimiento molecular aleatorio está asociado con la energía térmica.

Ejemplos de energía cinética

En general, la mayor parte de la energía potencial almacenada en enlaces químicos y células vivas se transforma en otras formas de energía potencial o energía cinética. Algunos de los ejemplos asociados de energía cinética en sistemas biológicos incluyen los siguientes:

  • Las plantas absorben partículas elementales de luz llamadas fotones en el espectro de luz visible para la fotosíntesis. Estos fotones se mueven a altas velocidades y contienen energías cinéticas considerables mientras viajan a una molécula de clorofila. Los fotones excitan un electrón en la molécula, permitiéndole liberarse. Luego, las moléculas de agua se dividen para formar iones de oxígeno e hidrógeno para reemplazar el electrón donado.
  • La energía almacenada en los músculos también se convierte en energía cinética durante la contracción muscular y el cambio general de su forma.
  • La energía cinética también está involucrada en el movimiento y la colisión de átomos, iones y moléculas cuando los viejos enlaces se rompen y forman otros nuevos.

Resumen de la lección

La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Puede venir en varias formas, pero tiene dos grandes categorías: cinética y potencial. La energía cinética es la energía en movimiento, mientras que la energía potencial se refiere a la energía almacenada debido a la posición relativa o estructura interna del objeto. La suma de la energía cinética y la energía potencial es la energía mecánica . Permanece constante mientras no actúen fuerzas externas sobre el sistema. En consecuencia, varias formas de energía potencial se pueden convertir en energía cinética y viceversa, mientras que la energía mecánica total del sistema permanece igual.

La energía potencial y cinética existe en biología, especialmente a nivel molecular. Por ejemplo, la descomposición de moléculas más grandes en otras más pequeñas libera energía esencial para que las células funcionen con eficacia. La energía que liberan se puede almacenar temporalmente mediante la formación de ATP (trifosfato de adenosina). El glucógeno libera su energía potencial almacenada cuando se descompone en sus subunidades de glucosa, se libera en el torrente sanguíneo y se oxida para formar moléculas de ATP. La energía cinética también está presente en biología. Por ejemplo, las plantas absorben fotones que se mueven a altas velocidades y tienen energías cinéticas considerables. Usan esta energía para excitar un electrón en la molécula de clorofila, ayudando a la fotosíntesis. La energía cinética también está involucrada en el movimiento de átomos, iones y moléculas, ya que los viejos enlaces se rompen para formar otros nuevos.

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