¿La energía tiene un signo?

Question

Las cantidades como la posición y el tiempo nos permiten situar nuestro origen en cualquier lugar, pero ¿se puede decir lo mismo de la energía? Estaba pensando en la forma en que hemos definido la cantidad potencial gravitacional, y para cualquier distancia finita de un "planeta" o un cuerpo, se diría que un abyecto tiene potencial gravitacional negativo, lo que transmite que un negativo cantidad de trabajo (al llevar el objeto desde el 'infinito' a esa posición, pero esto parece imposible ya que la energía negativa no parece existir físicamente (hasta donde yo sé). Entonces, ¿existe realmente la energía negativa, o no existe (lo que implica que el trabajo negativo realizado es sólo otro argumento matemático)?

Editar: La razón principal por la que hago esta pregunta es porque me preguntaba si los negativos trabajo realizado es fundamentalmente diferente de las deudas negativas (cuando se habla de dinero), o son simplemente lo mismo, una conveniencia matemática.

Answer 1

Para ser sinceros, las señales no existen. Las energías no existen. No son más que métodos o modelos o descripciones inventadas por nosotros para describir fuerzas, tendencias, absorción de radiaciones, impactos, movimientos vibratorios, direcciones, etc. Por lo tanto, ¿ negativo ¿existe la energía? Podemos inventarla, como acabas de describir para la energía potencial, así que sí.

• En algunas situaciones, un signo no describe más que el tamaño de los valores (cuando no importa dónde está el origen, como en el caso de las energías potenciales con puntos de referencia elegidos arbitrariamente),
• en otras situaciones el signo describe el acto matemático de sumar o restar (como el calor absorbido o expulsado),
• mientras que en otras situaciones los signos describen direcciones en un eje predefinido (su eje define adelante , por lo que una velocidad que se mueve hacia atrás es negativo).
• Etc.

Un signo es una invención matemática que significa diferentes cosas en diferentes contextos, dependiendo de lo que necesitemos hacer.

transmitir que se realiza una cantidad negativa de trabajo

Una "cantidad negativa de trabajo" pertenece al segundo punto anterior. Que el trabajo sea negativo sólo significa que la energía es saliendo de (sustraer matemáticamente) el objeto. El signo negativo no es aquí más que matemático.

Answer 2

La cuestión de la "existencia" es filosófica, no física. Hay quien sostiene que no se puede estar seguro de la existencia de nada, incluido uno mismo.

La física se ocupa de crear modelos matemáticos que puedan hacer predicciones sobre el resultado de un experimento o situación. Todos los modelos físicos tienen una aplicabilidad limitada, es decir, las predicciones sólo son exactas si se cumplen ciertas condiciones. Hasta ahora no hay ningún modelo que sea realmente universal y aplicable en todas las situaciones posibles.

La energía negativa, o positiva, son sólo eso: conceptos que sirven para hacer predicciones cuantitativas en determinadas situaciones (pero no en otras).

Por ejemplo, la energía negativa es un concepto útil cuando la energía se mueve dentro de un sistema. Si se mueve en un sentido, se llama "positiva", si se mueve en sentido contrario, es negativa.

Answer 3

Por supuesto, es muy importante en algunos cálculos si el cambio de energía en algún sistema es positivo o negativo. Si estás construyendo una central eléctrica, ¡intenta más bien sacar una cantidad positiva de energía!

Pero eso sólo son diferencias de energía. El punto de energía cero se define arbitrariamente y siempre se puede redefinir, de modo que el signo absoluto de $E$ no es importante.

Answer 4

No hay energía negativa, y el origen de la energía es absoluto, no arbitrario. Para medir la energía de un sistema, basta con medir su masa y utilizar $E = mc^2$ para encontrar su energía (en un marco donde su momento neto es cero). La energía es siempre positiva porque la masa es siempre positiva. Tal vez puedas encontrar algunos contraejemplos realmente exóticos con el efecto Casimir o algo así, pero básicamente es positiva.

Cuando decimos que la energía gravitatoria para el sistema Tierra-Luna es negativa, sólo significa que la energía es menor de lo que sería si la Luna estuviera más lejos. El sistema Tierra-Luna tiene una masa determinada. Es menor que la masa de la Tierra más la masa de la Luna, cada una considerada por separado. Esto se llama "defecto de masa".

Así que decimos que hay energía negativa en la unión gravitacional de ellos entre sí, pero eso es sólo para que la suma total de energía salga bien. La cantidad total de energía sigue siendo positiva porque la masa del sistema es positiva.

Cuando se dice que el origen de la energía potencial no importa, se quiere decir que las fuerzas son derivadas de la energía potencial. Si añades una constante a la energía potencial, eso no cambia ninguna derivada, así que si todo lo que te importa es encontrar las fuerzas, no importa si añades una constante a la energía potencial. Sin embargo, sólo hay una opción de cero para la energía de un sistema completo que da cuenta de toda la energía, y es la que hace $E = mc^2$ Es cierto.

Nota: esto supone que estamos tratando con sistemas que tienen un marco de reposo; los sistemas sin masa no tienen un marco de reposo.

Answer 5

La energía es un concepto que puede ser positivo o negativo. Sin embargo, es interesante porque, en muchas situaciones, tiene sentido definir una energía "mínima". Esto es diferente de otras cosas, como las posiciones. Rara vez hay una "posición mínima" significativa, a menos que haya una simetría que haga que ese concepto tenga sentido.

Como hay un mínimo, puede tener sentido asignarle el valor 0. Podríamos haber elegido cualquier valor para asignarlo, pero el cero es conveniente. Si hacemos tal asignación, entonces es trivial demostrar que la energía debe ser siempre distinta de cero.