La energía oculta en los objetos inmóviles es llamada por los físicos energía potencial. Puede ser de diferente naturaleza: gravitatoria (ligada a la altura en un campo gravitatorio), elástica (compresión o estiramiento de materiales), eléctrica (cargas en un campo). Todos estos tipos comparten un principio: el trabajo que un sistema puede realizar está determinado por su configuración. Cuando una piedra cae, su potencial se disipa transformándose en velocidad. A escala cósmica, la energía potencial gravitatoria es la principal fuente de luz de las estrellas: al comprimirse, una nube de gas y polvo se calienta y enciende el horno termonuclear.
Historia
El término «energíapotencial» fue introducido en 1853 por el ingeniero y físico escocés William Rankine. Sin embargo, las raíces de la idea se remontan a Galileo y a Leibniz, quien habló de «fuerza viva» (vis viva) y «fuerza muerta». Lagrange y Hamilton incorporaron el potencial a la mecánica analítica, haciéndolo la base de la descripción del movimiento. En 1915, Emmy Noether demostró que la ley de conservación de la energía (y, por tanto, la definición estricta de la función potencial) se deduce de la homogeneidad del tiempo. Hoy en día, la energía potencial sigue siendo un concepto clave desde la mecánica cuántica hasta la cosmología.
Cómo funciona
En mecánica, el cambio en la energíapotencial dU está relacionado con el trabajo dA de una fuerza conservativa: dU = -dA = -F·dr. El potencial está definido salvo una constante arbitraria; solo la diferencia de potencial tiene significado físico. En el campo gravitatorio terrestre, U = mgh, donde h se mide desde un nivel cero elegido. En general, el potencial gravitatorio de una masa puntual M es φ = -GM/r, y la energía potencial de un cuerpo de prueba de masa m es U = mφ. En electrodinámica, el potencial escalar φ y el potencial vector A forman un potencial cuadridimensional que determina las intensidades de los campos. La mecánica cuántica utiliza el operador de energía potencial en la ecuación de Schrödinger. La energía potencial gravitatoria de una esfera homogénea (por ejemplo, una estrella) determina su historia térmica interna y su estabilidad.
En la práctica
Las centrales hidroeléctricas convierten la energíapotencial del agua en electricidad. Cualquier objeto a una altura almacena energía lista para realizar trabajo: desde la pesa de un reloj hasta una lámpara colgante.
Dato curioso
Una cucharada de materia de una estrella de neutrones, si cayera sobre la Tierra, liberaría tanta energía como una potente bomba atómica, gracias a su colosal energía potencial gravitatoria.
Una partícula está en un pozo de energía, como un guisante en un hoyuelo. Para salir, necesita superar una barrera, y normalmente eso ocurre rara vez: cuanto más alta es la barrera, más hay que esperar. La ley de Arrhenius dice que el tiempo de espera crece exponencialmente, es decir, duplicar la altura de la barrera aumenta el tiempo cientos de veces.
Un intérprete que se ha aprendido todas las réplicas de antemano responde al instante — no necesita escuchar toda la conversación de nuevo. Así funciona el nuevo modelo: no hace correr átomos en la computadora durante horas, sino que entrega de inmediato la energía libre del cristal a cualquier temperatura y presión.
En una película delgada de perovskita, un material para baterías solares baratas, la luz genera pares de cargas: un electrón y un "hueco". Deben llegar a los electrodos y producir corriente, pero muchos desaparecen en el camino. Dónde exactamente es la pregunta de la que depende la eficiencia de la batería.
Un reactor de fusión es como un horno sobrecalentado donde el plasma alcanza millones de grados. Las paredes de ese horno se hacen de tungsteno: es el metal más refractario que existe. Pero ni el tungsteno aguanta sin protección: las partículas rápidas del plasma bombardean la superficie y arrancan átomos.
En una cacerola con agua flotan esferas microscópicas: partículas coloidales. Cada esfera está cubierta de largos hilos poliméricos, semejantes a un cepillo, y lleva una carga eléctrica. Si se ajustan bien la temperatura y la composición de la disolución, las esferas comienzan a ordenarse por sí solas en patrones regulares: cristales.
Cuando el azúcar cae en el té, se disuelve. Pero, ¿por qué no vuelve a precipitarse? Todo se debe al potencial químico, una magnitud que indica cuán "conveniente" es para una sustancia encontrarse en un lugar y estado determinados. Para una sustancia pura es fácil de calcular, pero para una mezcla de varios componentes es un verdadero rompecabezas.
La cadena proteica se pliega en una herramienta funcional en fracciones de segundo, y casi nunca se equivoca. Durante mucho tiempo se pensó que la evolución pulía específicamente las secuencias de aminoácidos para que la proteína no solo funcionara, sino que también encontrara fácilmente su forma única. Un nuevo trabajo da la vuelta a esta idea.
Una neurona que transmite una señal se parece a una pequeña batería que se descarga y recarga rápidamente. Durante casi 70 años se creyó que la fase de recarga dependía de una especie de «válvula de potasio» que se abría con retraso.
Cualquier batería, desde la de tipo AA hasta la cuántica, es simple: hay una reserva de energía y una forma de extraerla. En el mundo cuántico, esa 'forma' se ve como una conmutación cuidadosa entre estados de una partícula, similar a mover una canica de un estante alto a uno bajo.
Las máquinas zumban dentro de la presa de hormigón, funcionando en vacío. Tres de las diez turbinas permanecen en silencio. El nivel del agua en el mayor embalse del sureste de Brasil ha caído tanto que las palas están a punto de empezar a girar en el aire.
A finales de los años 1990, el cielo estrellado nos dio una sorpresa: Saul Perlmutter y Adam Riess descubrieron que la expansión del Universo se acelera.
Un péndulo oscila en un jarabe espeso. En los primeros instantes se mueve rápido, pero el jarabe lo frena, y luego de repente se vuelve más líquido — y el péndulo vuelve a acelerarse. Algo parecido pudo ocurrir con nuestro universo.
En un vaso de agua caen dos granos de sal. Se disuelven, y los iones de sodio y cloro se dispersan por todo el volumen. La verdad escolar es simple: las cargas iguales se repelen, las diferentes se atraen. Pero experimentos recientes con diminutas esferas en líquidos han revelado un panorama que rompe esta regla.
El efecto Mpemba sorprende: el agua caliente agua a veces se congela más rápido que la fría. Los científicos crearon un modelo simple: una bolita en un medio espeso como la miel, en un paisaje con dos depresiones y una pared en un extremo. La bolita se mueve con viscosidad, sin saltar la colina central.
El agua en un vaso se calma si dejas de removerla. El aceite del motor amortigua las vibraciones. Parece que la viscosidad siempre tiene que ver con la amortiguación. Pero en algunos flujos ocurre lo contrario: añade fricción y las olas empiezan a crecer como de la nada.
Los físicos han encontrado una explicación sencilla.
