Energía almacenada en la altura
Un objeto situado en alto tiene una energía que puede liberar al caer: es la energía potencial gravitatoria. Es la que aprovechan las centrales hidroeléctricas con el agua de los embalses, la que se convierte en velocidad en una montaña rusa y la que calculas cuando subes una carga a un piso alto.
Las fórmulas
Ep = m × g × h
Velocidad al caer desde h, sin rozamiento: v = √(2 × g × h)
1 Wh = 3600 J y 1 kcal = 4184 J
La energía se mide en julios (J): 1 J es la energía necesaria para subir 1 metro una masa de unos 102 gramos.
Ejemplo resuelto
Una persona de 70 kg sube a un tercer piso, 10 metros más alto. Gana 70 × 9,81 × 10 = 6865 J de energía potencial, solo 1,9 Wh o 1,6 kcal. Si cayera desde esa altura, sin rozamiento, llegaría al suelo a 14 m/s, unos 50 km/h. En la Luna, la misma subida solo requeriría 1134 J.
Por qué subir escaleras cansa más de lo que dice el cálculo
El resultado es la energía mecánica mínima. Los músculos tienen un rendimiento de alrededor del 20 al 25 %: para aportar 6865 J útiles, el cuerpo gasta unas cuatro o cinco veces más. Aun así, subir escaleras quema relativamente pocas calorías por planta; lo que lo hace un buen ejercicio es la intensidad.
Energía potencial a gran escala
- Centrales hidroeléctricas: 1 m³ de agua, 1000 kg, que cae 100 metros libera 981.000 J, unos 0,27 kWh. Para producir electricidad a gran escala hacen falta caudales enormes.
- Centrales de bombeo: suben agua a un embalse superior cuando sobra electricidad y la turbinan cuando se necesita. España tiene varias, como la de Cortes-La Muela en Valencia, una de las mayores de Europa.
- Montañas rusas: la primera subida carga toda la energía potencial que se transforma después en velocidad.
Conservación de la energía
Sin rozamiento, la energía mecánica se conserva: la energía potencial que pierde un objeto al caer se convierte en energía cinética, ½ × m × v². Por eso la velocidad al llegar al suelo no depende de la masa. En la realidad, la resistencia del aire hace que los objetos ligeros y voluminosos, como una pluma, caigan mucho más despacio.
La referencia de altura
La energía potencial siempre se mide respecto a una altura de referencia, que eliges tú: el suelo, la mesa o el nivel del mar. Lo que tiene sentido físico es la diferencia entre dos posiciones, que no depende de dónde pongas el cero.
Consejo
Para problemas de física de ESO y bachillerato, comprueba que la masa está en kilogramos y la altura en metros. La calculadora acepta gramos, toneladas, centímetros, pies y pulgadas y los convierte automáticamente.