Energía Potencial Gravitatoria: Masa y Altura Guía

Resumen

La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto debido a su posición elevada. En este experimento, compararemos intuitivamente la magnitud de la energía potencial gravitatoria observando la profundidad de la 'fosa' creada por una bola al caer sobre una esponja. Utilizaremos el método de control de variables para investigar los efectos de la masa y la altura sobre la energía potencial gravitatoria por separado.

Antecedentes

• 1853: El ingeniero escocés William Rankine propuso formalmente por primera vez el concepto de 'Energía Potencial', distinguiendo entre energía almacenada y energía activa.
• Principios del siglo XIX: Gaspard-Gustave de Coriolis y otros desarrollaron la relación matemática entre 'trabajo' y 'energía', estableciendo la relación entre el trabajo realizado por la gravedad y el cambio en la energía potencial.
• Aplicaciones de ingeniería: Desde las antiguas ruedas hidráulicas hasta las modernas centrales hidroeléctricas, los humanos han utilizado la energía potencial gravitatoria durante mucho tiempo.

Conceptos clave

Fórmulas y derivación

Pasos del experimento

1. 1

   Investigar el efecto de la masa

   Fije la altura $h$ en un valor determinado (por ejemplo, $30\text{cm}$ o $50\text{cm}$). Suelte bolas con masas de $1.0\text{kg}$, $2.0\text{kg}$ y $3.0\text{kg}$ respectivamente. Compare la profundidad de compresión de la esponja en los tres ensayos y piense en cómo la masa afecta la magnitud de la energía.
2. 2

   Investigar el efecto de la altura

   Elija una masa fija (por ejemplo, $2.0\text{kg}$). Suelte la bola desde alturas de $10\text{cm}$, $30\text{cm}$ y $50\text{cm}$ respectivamente. Observe el cambio en la profundidad de la esponja y piense en el efecto significativo de la altura sobre la energía potencial gravitatoria.
3. 3

   Análisis Integral

   Compare toda la tabla de registro de datos. Busque casos donde tanto la masa como la altura sean diferentes, pero la profundidad de compresión resultante sea similar. Piense en la relación entre el producto de $m \times h$ y la energía potencial gravitatoria.

Resultados del aprendizaje

• Comprender la definición de energía potencial gravitatoria y su relación cualitativa con la masa y la altura.
• Dominar la aplicación del 'Método de Conversión' en experimentos de física (Energía Potencial $\rightarrow$ Deformación por Compresión).
• Aprender a diseñar procedimientos experimentales científicos utilizando el método de control de variables.
• Ser capaz de realizar estimaciones de energía simples utilizando $E_p = mgh$.

Aplicaciones reales

• Construcción: Los martinetes usan un martillo pesado que cae desde una altura para clavar pilotes en el suelo utilizando energía potencial gravitatoria.
• Prevención de desastres: No coloque objetos pesados que puedan caerse fácilmente en balcones altos, ya que su energía potencial gravitatoria a gran altura es enorme y muy peligrosa si caen.
• Energía hidroeléctrica: Utiliza la energía potencial gravitatoria del agua en embalses altos para convertirla en energía cinética de turbinas, que luego genera electricidad.

Errores comunes

Lectura adicional

• Gravitational Potential Energy - Wikipedia