Física de l'energia potencial

L’energia potencial, l’ energia emmagatzemada que depèn de la posició relativa de diverses parts d’un sistema. Una molla té més energia potencial quan es comprimeix o s’estira. Una bola d’acer té més energia potencial elevada per sobre de la terra que no pas després de caure a la Terra. En posició elevada, és capaç de fer més treball. L’energia potencial és una propietat d’un sistema i no d’un cos o partícula individual; el sistema compost per Terra i la bola elevada, per exemple, té més energia potencial, ja que les dues estan més separades.

L’energia potencial sorgeix en sistemes amb parts que exerceixen forces l’una de l’altra de magnitud depenent de la configuració, o posició relativa, de les parts. En el cas del sistema de boles terrestres, la força de gravetat entre ambdues depèn només de la distància que les separi. El treball realitzat per separar-los més lluny o per augmentar la bola, transfereix energia addicional al sistema, on s’emmagatzema com a energia potencial gravitatòria.

L’energia potencial també inclou altres formes. L’energia emmagatzemada entre les plaques d’un condensador carregat és l’energia potencial elèctrica. La que es coneix comunament com a energia química, la capacitat d’una substància per treballar o per evolucionar la calor mitjançant un canvi de composició, es pot considerar com a energia potencial resultant de les forces mútues entre les seves molècules i àtoms. L’energia nuclear és també una forma d’energia potencial.

L’energia potencial d’un sistema de partícules només depèn de les configuracions inicials i finals; és independent del camí que recorren les partícules. En el cas de la bola d’acer i la Terra, si la posició inicial de la bola és al nivell del terra i la posició final es troba a 10 peus sobre el terra, l’energia potencial és la mateixa, sense importar com o per quina ruta es va pujar la bola. El valor de l’energia potencial és arbitrari i relatiu a l’elecció del punt de referència. En el cas anterior, el sistema tindria el doble d'energia potencial si la posició inicial fos la part inferior d'un forat de 10 peus de profunditat.

L’energia potencial gravitatòria propera a la superfície de la Terra es pot calcular multiplicant el pes d’un objecte per la seva distància per sobre del punt de referència. En sistemes enllaçats, com els àtoms, en què els electrons són mantinguts per la força elèctrica d’atracció als nuclis, la referència zero per a l’energia potencial és una distància del nucli tan gran que la força elèctrica no és detectable. En aquest cas, els electrons enllaçats tenen energia potencial negativa i els molt allunyats tenen energia potencial zero.

L’energia potencial es pot convertir en energia de moviment, anomenada energia cinètica i, al seu torn, en altres formes com l’energia elèctrica. Així, l’aigua que hi ha darrere d’una presa flueix fins a nivells més baixos a través de turbines que converteixen els generadors elèctrics, produint energia elèctrica més una energia calorífica inutilitzable resultant de turbulències i friccions.

Històricament, es va incloure l’energia potencial amb l’energia cinètica com a forma d’energia mecànica de manera que l’energia total dels sistemes gravitacionals es podia calcular com a constant.