En esta clase de Física para estudiantes de escuelas secundarias continuaremos con la segunda parte de Energía.
Máquinas
Una máquina es un dispositivo para multiplicar fuerzas o, simplemente, para cambiar la dirección de éstas. El principio básico de cualquier máquina es el concepto de conservación de la energía. Veamos el caso de la más sencilla de las máquinas: La palanca. Al mismo tiempo que efectuamos trabajo en un extremo de la palanca, el otro extremo efectúa trabajo sobre la carga. Se ve que cambia la dirección de la fuerza, porque si empujamos hacia abajo, la carga sube. Si el calentamiento debido a las fuerzas de fricción es tan pequeño que se ignora, el trabajo de entrada será igual al trabajo de salida.
Como el trabajo es igual a la fuerza por la distancia, fuerza de entrada por distancia de entrada = fuerza de salida por distancia de salida.
El punto de apoyo respecto al cual gira una palanca se llama simplemente apoyo o fulcro. Cuando el punto de apoyo de una palanca está relativamente cerca de la carga, una fuerza de entrada pequeña producirá una fuerza de salida grande. Esto se debe a que la fuerza de entrada se ejerce en una distancia grande y la carga se mueve sólo por una distancia corta. Entonces una palanca puede ser un multiplicador de fuerza.
Arquímedes, el famoso científico griego del siglo III A.C, entendió muy bien el principio de la palanca. Dijo que podría mover el mundo si tuviera un punto de apoyo adecuado.
En la actualidad un niño puede aplicar el principio de la palanca para levantar el frente de un automóvil usando un gato: ejerciendo una fuerza pequeña durante una distancia grande es capaz de producir una gran fuerza que actúe durante una distancia pequeña.
Eficiencia
En los ejemplos anteriores se describieron máquinas ideales; el 100% del trabajo que les entra apareció a la salida. Una máquina ideal trabajaría con 100% de eficiencia. Eso no sucede en la práctica, y nunca se puede esperar que suceda. En cualquier transformación se disipa algo de energía en forma de energía cinética molecular, que es la energía térmica. Esta última calienta un poco la máquina y sus alrededores.
Hasta una palanca que gire en su punto de apoyo convierte una pequeña fracción de la energía de entrada en energía térmica. Podremos efectuar en ella 100J de trabajo, y obtener de ella 98J de trabajo. En ese caso, la palanca es eficiente en 98%, y solo se degradan 2J de trabajo en forma de energía térmica.
Se presentan ineficiencias siempre que se transforma la energía de una forma a otra en el mundo que nos rodea. E eficiencia se puede expresar así:
Un motor de automóvil es una máquina que transforma la energía química almacenada en el combustible, en energía mecánica. Los enlaces entre las moléculas del hidrocarburo se rompen cuando se quema el combustible. Los átomos de carbono se combinan con el oxígeno del aire, para formar dióxido de carbono, y los átomos de hidrógeno del combustible se combinan con el oxígeno para formar agua, y así se desprende energía.
PROBLEMAS DE REPASO:
Comparación de la EC y la Cantidad de movimiento
La energía cinética y la cantidad de movimiento son propiedades del movimiento. Pero son distintas. La cantidad de movimiento, como la velocidad, es una cantidad vectorial. Por otro lado, la energía es una cantidad escalar, como la masa.
Cuando dos objetos se acercan, sus cantidades de movimiento se pueden anular en forma parcial o total. Su cantidad de movimiento total es mejor que la cantidad de movimiento de cualquiera de ellos solos. Pero sus energías cinéticas no se pueden anular. Como las energías cinéticas siempre son positivas (o cero), la energía cinética total de dos objetos en movimiento es mayor que la energía cinética de cualquiera de ellos.
Energía potencial elástica
Es la energía que tiene un cuerpo que sufre una deformación. Si valor depende de la constante de elasticidad del cuerpo(k) y de lo que se ha deformado (d)
Hagamos un problema juntos:
Calcula la EPE de un muelle que se ha estirado 0.25m desde su posición inicial. La constante elástica del muelle es de 50N/m.
No hay que pasar nada a otras unidades, por eso podemos proceder a calcular la EPE directamente con la fórmula:
PROBLEMAS DE REPASO:
- Puedes elegir entre atrapar una pelota de béisbol o una de bolos, ambas con la misma EC ¿Cuál es mas segura?
- Calcula los watts de potencia que se gastan cuando una fuerza de 1N mueve un libro de 2m en un segundo.
- ¿Cuantos joules de EPG gana un libro de 1kg cuando es elevado a una altura de 4m?
- Calcula en número de joules de EC que tiene un libro de 1kg cuando es lanzado a través de un cuarto con una rapidez de 2m/s
- ¿Cuanto trabajo se requiere para aumentar la EC de un automóvil a 5000J?
- Un saltarín tiene una constante elástica de 50N/m, si su EPE es de 625J, ¿A qué altura llega una persona de 30kg saltando?¿Calcular su EPG en la altura máxima?
About Ana Emilia de Orellana
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