En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la primer parte de Energía.
Energía potencial
Un objeto puede almacenar energía gracias a su posición. A la energía que se almacena y está lista para utilizarse se le llama energía potencial (EP), ya que en su estado almacenado tiene el potencial de efectuar trabajo. Por ejemplo, un resorte estirado o comprimido tiene el potencial de hacer trabajo. Cuando se tensa un arco, éste almacena energía. Una banda de goma estirada tiene energía potencial debido a su posición relativa con respecto a las partes, porque si es parte de una resortera, es capaz de efectuar trabajo.
La energía química de los combustibles también es energía potencial, ya que en realidad es energía de posición en el nivel microscópico. Está disponible cuando se alteran las posiciones de las cargas eléctricas dentro y entre las moléculas; esto es, cuando se produce un cambio químico. Cualquier sustancia que pueda efectuar trabajo por medio de acciones químicas posee energía potencial. Esta energía caracteriza los combustibles fósiles, los acumuladores eléctricos y el alimento que ingerimos.
La energía potencial de la esfera de 10N es igual (30J) en los tres casos, porque el trabajo que se efectúa para subirla 3m es el mismo si se eleva de cualquiera de las tres formas.
Se requiere trabajo para elevar objetos en contra de la gravedad terrestre. La energía potencial de un cuerpo a causa de si posición elevada se llama energía potencial gravitacional (EPG o EP). El agua de una presa y el pilón de un martinete tienen energía potencial gravitacional. Siempre que se realice trabajo, cambia la energía.
La cantidad de energía potencia gravitacional que tiene un objeto elevado es igual al trabajo realizado para elevarlo en contra de la gravedad. El trabajo efectuado es igual a al fuerza necesaria para verlo hacia arriba por la distancia vertical que sube. Una vez que comienza el movimiento hacia arriba, la fuerza hacia arriba para mantenerlo en movimiento a velocidad constante es igual al peso (m.g) del objeto. Entonces el trabajo efectuado para subirlo a una altura h es el producto m.g.h
La energía potencial, sea gravitacional o cualquiera otra, tiene importancia sólo cuando cambia, es decir cuando efectúa trabajo o se transforma en energía de alguna otra forma. Por ejemplo, si la esfera cae desde su posición elevada y efectúa 20J de trabajo al llegar abajo, entonces perdió 20J de EP.
No importa la energía potencial total que tenga la esfera cuando se elevó, respecto a algún nivel de referencia. Lo que interesa es la cantidad de energía potencial que se convierte en alguna otra forma. Sólo tienen significado los cambios de energía potencial. Una de las formas de energía en la que se puede transformar la EP es energía de movimiento, o ENERGÍA CINÉTICA.
Antes de pasar con la EC, hagamos un problema de EP fácil:
Calcular la EP de un avión de 17.856Tn que vuela a 12km de altura.
Bueno, primero hay que pasar los km a m de altura, así newton por metro nos da en J:
Ahora pasamos las toneladas a kg:
Ahora lo único que queda es hacer la cuenta con la fórmula de EP que está mas arriba:
Y esa es aproximadamente (porque los valores dependen mucho del tipo de avión) la energía potencial de un avión en su vuelo. (pueden calcular la suya con su masa)
Energía Cinética
Si empujamos un objeto lo podemos mover. Si un objeto se mueve, entonces es capaz de efectuar trabajo. Tiene energía de movimiento y decimos que tiene energía cinética (EC). La EC de un objeto depende de su masa y de su rapidez. Es igual a la mitad de la masa multiplicada por el cuadrado de la rapidez:
Cuando lanzas una pelota, realizas trabajo sobre ella para darle rapidez cuando sale de tu mano. Entonces, a pelota en movimiento podrá golpear algo y empujarlo, haciendo trabajo sobre eso que golpea. La energía cinética de un objeto en movimiento es igual al trabajo requerido para llevarlo desde el reposo hasta esa rapidez, o al trabajo que el objeto puede realizar mientras llega al reposo:
Observa que la rapidez está al cuadrado, de manera que si la rapidex de un objeto se duplica, su energía cinética se cuadruplica (2²=4). En consecuencia, para duplicar la la rapidez habrá que multiplicar el trabajo por 4. Siempre que se realiza trabajo, la energía cambia.
Hagamos un ejercicio juntos:
El mismo avión de antes, con una masa de 17856kg se mueve a una velocidad de 900km/h.
Primero hay que pasar la velocidad a m/s:
Ahora que ya tenemos la rapidez, calculamos la EC con la fórmula:
Listo, ya tenemos la energía cinética de un avión en movimiento.
Teorema del trabajo y la energía
Cuando un automóvil acelera, su aumento de energía cinética se debe al trabajo que se efectúa sobre él. También, cuando desacelera, se efectúa trabajo para reducir su energía cinética. Entonces se puede decir que:
El trabajo es igual al cambio de energía cinética. Éste es el TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGÍA. En esta ecuación el trabajo es el trabajo neto, es decir el trabajo basado en la fuerza neta. Por ejemplo, si empujas un objeto y también la fricción actúa sobre el objeto, e cambio de energía cinética es igual al trabajo efectuado por la fuerza neta, que es tu empuje menos la fricción. En este caso, solo parte del trabajo total que haces cambia la energía cinética del objeto. El resto se transforma en calor gracias a la fricción. Si la fuerza de fricción es igual y opuesta a tu empuje, la fuerza neta sobre el objeto es cero y no se hace trabajo neto.
El teorema del trabajo y la energía también se aplica cuando disminuye la rapidez. Cuando oprimes el pedal del freno en un automóvil y lo haces patinar, es porque el asfalto hace trabajo sobre el vehículo. El trabajo es la fuerza de fricción multiplicada por la distancia durante la cual actúa esa fuerza de fricción.
Es interesante que la fuerza de fricción entre un neumático que derrapa y el asfalto es igual cuando el automóvil se mueve despacio o aprisa. En un frenado de emergencia con frenos antibloqueo la única forma de que los frenos hagan más trabajo es que actúen en una distancia mayor.
Un automóvil que avanza con el doble de rapidez que otro requiere cuatro veces más trabajo para detenerse. Puesto que la fuerza de fricción es casi la misma para ambos vehículos, el que avanza más rápido necesita cuatro veces más distancia para detenerse. La misma regla se aplica a los frenos de modelo más antiguo que pueden bloquear las llantas.
La fuerza de fricción en el neumático que se patina es también casi independiente de la rapidez. En las investigaciones de los accidentes se tiene muy en cuenta que un automóvil que vieja a 100km por hora, con una EC cuatro veces mayor que un automóvil que viaja a 50km por hora, patinará 4 veces más lejos en una frenada de emergencia. La energía cinética depende de la rapidez al cuadrado.
Los frenos de un automóvil convierten la energía cinética en calor. Los conductores profesionales están familiarizados con otra forma de frenar un vehículo: Cambiar la palanca de cambios a una velocidad más baja y dejar que el motor frene. Los automóviles híbridos actuales hacen lo mismo y desvían la energía de frenado a la batería eléctrica de almacenamiento, donde se utiliza para complementar la energía generada por la combustión de la gasolina.
El teorema del trabajo y la energía se aplica más allá de los cambios en la energía cinética. El trabajo puede cambiar la energía potencial de un dispositivo mecánico, la energía térmica de un sistema térmico, o la energía eléctrica en un aparato eléctrico. El trabajo no es una forma de energía, sino una forma de transferir la energía de un lugar a otro o de una forma a otra.
La EC y la EPG son dos entre muchas otras formas de energía, y son la base de algunas como la energía química, la energía nuclear, el sonido y la luz. La EC promedio del movimiento molecular aleatorio se relaciona con la temperatura; la energía potencial de las cargas eléctricas con el voltaje; y las energías cinética y potencial del aire en vibración definen la intensidad del sonido. Hasta la luz se origina en el movimiento de los electrones dentro de los átomos. Toda forma de energía puede transformarse en cualquier otra forma.
Conservación de la energía
Más importante que saber qué es la energía es entender cómo se comporta: cómo se transforma. Comprenderemos mejor los procesos y los cambios que suceden en la naturaleza si los analizamos en términos de cambios de energía, es decir, transformaciones de una a otra forma, o de transferencias de energía de un lugar a otro. La energía es la forma que tiene la naturaleza de llevar la cuenta.
Examinemos los cambios de energía cuando se trabaja el martillo de la imagen de abajo. El trabajo efectuado para subir el pilón y darle energía potencial se transforma en energía cinética cuando se suelta el pilón. Esta energía se transfiere al pilote que está abajo de él. La distancia que se sume al pilote en el terreno, multiplicada por la fuerza promedio de impacto es casi igual a la energía potencial inicial del pilón. Decimos casi, porque algo de la energía se emplea en calentar el terreno y el pilón durante la penetración. Si se tiene en cuenta la energía térmica, se ve que la energía se transforma si pérdida ni ganancia neta.
El estudio de las diversas formas de energía y sus transformaciones entre sí ha conducido a una de las grandes generalizaciones de la física: La ley de la CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA:
"La energía no se puede crear ni destruir, se puede transformar de una forma a otra, pero la cantidad total de energía nunca cambia"
Cuando examinamos cualquier sistema en su totalidad, sea tan sencillo como un péndulo que oscila o tan como una supernova que explota, hay una cantidad que no se crea ni se destruye: la energía. Puede cambiar de forma, o tan sólo se puede transferir de un lugar a otro; pero hasta donde sabemos, la cuanta total de la energía permanece igual.
Esta cuenta de energía considera el hecho de que los átomos que forman la materia son en sí mismos paquetes de energía concentrada. Cuando los núcleos de los átomos se reacomodan son capaces de liberar grandes cantidades de energía. El Sol brilla porque algo de su energía nuclear se transforma en energía radiante.
La compresión enorme debida a la gravedad, y las temperaturas extremadamente altas en lo más profundo del Sol funden los núcleos de los átomos de hidrógeno y forman núcleos de helio. Se trata de la fusión termonuclear, proceso que libera energía radiante, y una pequeña parte de ella llega a la Tierra.
Parte de la energía que llega a la Tierra la absorben las plantas (y otros organismos fotosintéticos) y, a la vez, parte de ella se almacena en el carbón. Otro tanto sostiene la veda en la cadena alimenticia que comienza con las plantas (y otros organismos fotosintetizadores), y parte de esta energía se almacena después en forma de petróleo. Algo de la energía solar que consume al evaporar agua de los mares, y parte de esa energía regresa a la Tierra en forma de lluvia que puede regularse en una presa. En virtud de su posición elevada, el agua detrás de la presa tiene energía que sirve para impulsar una planta generadora abajo de la presa, donde se transformará en energía eléctrica. Esta energía viaja por líneas de transmisión hasta los hogares, donde se usa para el alumbrado, la calefacción, la cocina y para hacer funcionar diversos aparatos electrodomésticos.
About Ana Emilia de Orellana
Hola! "Los Puntos De Apoyo" es un blog construido para brindarle material de estudio a todo aquel que se encuentre en el colegio secundario, cursando el ingreso a la universidad, o bien en una carrera de grado. Asimismo compartiremos noticias y material divertido para los amantes de física como nosotros. Disfruta!
0 comentarios:
Publicar un comentario