¿Qué significa realmente la energía potencial?

¿Entonces no puedo entender de dónde viene la energía potencial?

La energía potencial proviene del trabajo negativo realizado por la gravedad. El trabajo realizado por la gravedad es negativo porque la dirección de la fuerza es opuesta al desplazamiento. Cuando una fuerza realiza un trabajo negativo sobre un objeto, le quita energía. En este caso, la gravedad elimina la energía que le diste al objeto debido a tu trabajo positivo y la almacena como energía potencial gravitatoria del sistema tierra-objeto.

El trabajo que haces sobre el objeto es positivo porque tu fuerza tiene la misma dirección que el desplazamiento. Si el trabajo negativo realizado por la gravedad es exactamente igual al trabajo positivo que hiciste, el trabajo neto es cero. Esto ocurriría si el objeto comenzara en reposo en el suelo y lo llevaras a descansar a la altura$h$. Dado que el objeto comienza y termina en reposo, el cambio en su energía cinética ($\Delta KE$) es cero y del principio de energía del trabajo eso significa que el trabajo neto realizado es cero.

Ahora, dado que la gravedad tomó la energía$mgh$lejos del objeto, ¿qué hizo con él? Lo almacenó como un cambio en la energía potencial gravitatoria ($\Delta U$) del sistema tierra-objeto. Tenga en cuenta que la energía potencial$U$es una propiedad del sistema. El objeto solo no lo posee y la tierra sola no lo posee. Solo existe cuando tanto el objeto como la tierra están presentes. Por lo tanto, "pertenece" a ambos.

Suponga que en lugar de llevarlo a descansar en$h$, seguiste levantándolo para que tuviera una velocidad vertical$v$y energía cinética de$\frac{1}{2}mv^2$en$h$. En ese caso en$h$habría un cambio en la energía potencial ($\Delta U$) y un cambio en la energía cinética ($\Delta KE$). El$\Delta KE$luego representa el trabajo neto realizado sobre el objeto según el principio de energía del trabajo, o

$$W_{net}=W_{you}+W_{gravity}=\Delta KE$$

¿Por qué se define como trabajo realizado por una fuerza conservativa?

La gravedad es una fuerza conservativa porque es una fuerza cuyo trabajo está determinado solo por el desplazamiento final del objeto sobre el que se actúa. En este caso, el desplazamiento vertical del objeto. Tenga en cuenta que no importaba si el objeto tenía una velocidad en$h$. El trabajo realizado por la gravedad sigue siendo$-mgh$. El trabajo que hiciste, por otro lado, fue diferente si pusiste el objeto en reposo en$h$que si le dieras una velocidad de$h$. No solo dependía del desplazamiento vertical. Por lo tanto, la fuerza que aplicaste no es conservativa. Ahora podemos reescribir la ecuación anterior como

$$W_{net}=W_{non-conservative}+W_{conservative}=\Delta KE$$

Dado que el trabajo negativo realizado por la gravedad solo es igual al cambio en la energía potencial

$$W_{conservative}=-\Delta U$$

Espero que esto ayude.

Lo que pasa es que el trabajo realizado por la gravedad es la energía potencial.

El potencial es solo un nombre que se le da al trabajo realizado por las fuerzas conservadoras, ya que su trabajo no se desperdicia sino que se "almacena" (existe la posibilidad de liberarlo nuevamente).

Por lo tanto, puede llamarlos trabajo,$W_\text{conservative}$, o puedes llamarlas energías potenciales,$U$, dependiendo de lo que quieras. Son dos caras de la misma moneda:

$$W_\text{conservative}=-\Delta U.$$

Entonces el teorema trabajo-energía se puede escribir:

$$W=W_\text{non-conservative}+W_\text{conservative}=\Delta K$$ lo que demuestra que el trabajo realizado por las fuerzas conservativas debe ser igual a todos los demás trabajos realizados si no hay cambio en la velocidad, en la energía cinética. Levante una caja del suelo, por ejemplo, y la gravedad (una fuerza conservativa) realiza el mismo trabajo negativo que usted realiza sobre la caja.

Si en el teorema trabajo-energía elegimos usar$U$en lugar de$W_\text{conservative}$, entonces nosotros tenemos:

$$W=\Delta U+\Delta K.$$

Sin cambios en la energía cinética, vemos que el trabajo realizado al levantar una caja se convierte directamente en energía potencial. Esto se corresponde con la ley general de conservación de la energía (en este caso para fuerzas mecánicas).

Por lo tanto, tenga en cuenta que el trabajo de las fuerzas conservativas y la energía potencial son dos formas de expresar lo mismo.