CAPÍTULO 4 / EJERCICIOS

la energía | ejercicios

¿QUÉ ES LA ENERGÍA?

1. Indica con una flecha el término que corresponde a cada definición:

Energía cinética Capacidad de un sistema físico para hacer el trabajo.
Calor Energía del movimiento.
Energía Energía producida por el aprovechamiento de la energía cinética y potencial gravitatoria de los saltos de agua natural.
Temperatura Energía almacenada en los objetos.
Energía hidráulica Forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos que presentan distintas temperaturas.
Energía mecánica Magnitud que da cuenta de nociones como frío, caliente o tibio.

2. Escribe un ejemplo de cada tipo de energía y explica el aprovechamiento que le damos los seres humanos en cada caso.

Energía mecánica

Ejemplo: ___________________________________________________________________.

Explicación: ________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________.

Energía potencial

Ejemplo: ___________________________________________________________________.

Explicación: ________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________.

Energía térmica

Ejemplo: ___________________________________________________________________.

Explicación: ________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________.

Energía eléctrica

Ejemplo: ___________________________________________________________________.

Explicación: ________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________.

Energía radiante

Ejemplo: ___________________________________________________________________.

Explicación: ________________________________________________________________________________________

__________________________________________________________________________________________________.

3. Completa el siguiente cuadro con los consejos de ahorro de energía según la frecuencia con la que los realices.

Nunca hago A veces hago Siempre hago
En la sala
En el baño
En la habitación
En la cocina

Transformación y conservación de la energía

1. Construye un texto de 5 líneas máximo con las siguientes palabras.

  • Energía
  • Transformada
  • Ley
  • Eléctrica
  • Conservación

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

2. Completa el texto con las siguientes palabras:

  • Agua
  • Gases
  • Caliente
  • Convección
  • Densidad
  • Calor

La _____________ es la transferencia de ___________ por medio del movimiento de una masa fluida, como por ejemplo el aire o el _________. Sólo se produce en líquidos y _________ donde los átomos y moléculas son libres de moverse en el medio. Dicho movimiento es producto de que el fluido ____________ se dilata y causa una disminución en su _______________, lo que a su vez provoca el ascenso del fluido caliente y el descenso del fluido frío, que es más denso.

formas de energía

1. Responde

¿Cuál es la forma de energía en los siguientes ejemplos? Justifica la respuesta.

  • Fotosíntesis: ____________________, porque ______________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

  • Bombilla: _____________________, porque ________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

  • Molinos de viento: _____________________, porque ________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

  • Lanzamiento de pelota: _________________, porque ________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

  • Rayos X: _________________, porque ____________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

  • Imanes: __________________, porque ____________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

  • Bomba atómica: __________________, porque _____________________________________________________

________________________________________________________________________________________________.

2. La energía eléctrica desde que se produce hasta que se consume en hogares e industrias, debe ser transformada. Basado en esto y a lo que ya conocemos, responde:

¿Dónde se produce la energía eléctrica?

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se transporta esa electricidad?

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

¿Cómo se llama el lugar que distribuye la electricidad hasta nuestros hogares?

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

energía mecánica

1. Responde de la manera más breve:

  • ¿Qué es el trabajo?

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • Describe 2 ejemplos de trabajo.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • ¿Qué relación hay entre la fuerza y el trabajo?

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

2. Basado en la energía potencial elástica, escribe 5 ejemplos de deformaciones.

  1. _____________________________________________________.
  2. _____________________________________________________.
  3. _____________________________________________________.
  4. _____________________________________________________.
  5. _____________________________________________________.

fuentes de energía

1. En las siguientes oraciones escribe con una V si es verdadera o F si es falsa. En caso de ser falsa justifica tu respuesta.

  1. Las fuentes renovables se dividen en dos categorías.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  1. Las fuentes no renovables son las más abundantes en la naturaleza.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  1. Algunas fuentes de energía renovables también son conocidas como energías alternativas.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  1. Las fuentes de energía renovables son las más usadas en la actualidad a pesar de encontrarse en cantidades limitadas en la naturaleza.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  1. Los combustibles fósiles son un tipo de fuente de energía no renovable.  (   )

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

2. Completa las siguientes oraciones:

  1. La energía __________________ se obtiene mediante el movimiento del agua.
  2. La energía solar llega en forma de ___________________________ proveniente del Sol.
  3. La energía del Sol se aprovecha por medio de ___________________________.
  4. La _____________ es la materia orgánica que se origina en un proceso biológico.
  5. El _______________________ es un acuerdo firmado en Japón, que comprometió a los países industrializados a estabilizar las emisiones de gases de efecto invernadero entre el período 2008 y 2012.

fenómenos ondulatorios

1. Explica la diferencia que existe entre:

  • Ondas longitudinales y ondas transversales.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • Período y frecuencia.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • Relexión y refracción.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • Intensidad y timbre.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

  • Sonido y ruido.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

2. Describe las principales aplicaciones de las ondas electromagnéticas.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

3. Define con tus propias palabras el efecto Doppler.

______________________________________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________

El calor y la temperatura

1. Observa la siguiente lista de materiales conductores y aislantes, ordénalos y colócalos en la columna correspondiente.

  • Mercurio
  • Polietileno
  • Oro
  • Madera
  • Hierro
  • Goma
  • Corcho
  • Aluminio
Materiales conductores Materiales aislantes

2. Encierra en un círculo la alternativa correcta.

  • Si un cubo de hielo se coloca a 30 °C de temperatura, ¿qué le ocurrirá?
  1. Aumentará su masa.
  2. Cambiará de estado.
  3. Conservará su forma.
  • ¿Qué magnitud podemos utilizar para la energía térmica?
  1. Humedad relativa
  2. Frecuencia
  3. Temperatura

CAPÍTULO 4 / TEMA 4

Energía mecánica

A diario estamos en presencia de objetos que se mueven y cambian de posición. Esto se debe a la energía mecánica que poseen los cuerpos y que resulta de la suma de dos formas de energía: la cinética (movimiento) y la potencial (posición).

TRABAJO MECÁNICO

Aunque el concepto de trabajo se relaciona normalmente con actividades laborales e intelectuales, en física tiene una concepción diferente y más concreta.

El trabajo es un principio de la mecánica que comprende una fuerza y un desplazamiento; al trabajo (W) lo usamos para describir cuantitativamente lo que se obtiene cuando una fuerza hace mover a un cuerpo a lo largo de una distancia.

Empujar un objeto es un ejemplo de trabajo. Al inicio el cuerpo está en reposo y, después de ejercer la fuerza paralela al suelo, se desplaza y se acelera en la dirección de la fuerza.
¿Sabías qué?
El valor del trabajo mecánico indica la energía que se transfiere en el empuje a la mesa.

El trabajo mecánico (W) puede expresarse matemáticamente de la siguiente forma:

Donde:

F = fuerza.

Δx = desplazamiento.

El trabajo mecánico es una magnitud escalar y su unidad, según el Sistema Internacional de Unidades, es el joule (J).

Energía mecánica

En un cuerpo, la energía mecánica será igual a la suma de las energía cinética, potencial gravitatoria y potencial elástica.

ENERGÍA CINÉTICA

Es la energía que poseen los cuerpos en movimiento. En otras palabras, es el trabajo que hace falta para que un cuerpo con una masa determinada se acelere desde el reposo hasta una velocidad señalada.

Además, la energía cinética forma parte de todos los materiales conocidos, ya que cada uno de ellos se encuentra constituido por un conjunto innumerable de moléculas en constante movimiento. La cantidad de energía cinética aumenta en proporción al tamaño y a la velocidad del cuerpo: cuanto más grande sea y más rápido se mueva, ésta será mayor.

Cuanto más rápido se mueve un cuerpo, mayor energía cinética posee.

La energía cinética se mide en joule (J) y puede representarse de la siguiente forma:

Donde:

m = masa (en kg).

v = velocidad (m/s).

Las olas del mar desplazan a un surfista porque el agua en movimiento (cuerpo con energía cinética) choca contra la tabla de surf y realiza trabajo al moverla.

Ejemplo práctico

  1. Un carro tiene una masa de 1.200 kg. Si se desplaza con una rapidez de 20 m/s, ¿cuál es su energía cinética?

Solución:

  1. ¿Cuál es la masa de un cuerpo si su energía cinética es de 250 J y se desplaza a 5 m/s?

Solución:

¿Sabías qué?
William Thomson, mejor conocido como Lord Kelvin, fue el primero en acuñar el término “energía cinética” en sus trabajos.

Trabajo y energía cinética

Al aplicar una fuerza neta sobre un cuerpo, cambia su velocidad, se acelera y por lo tanto también cambia su energía cinética.

Esta relación se denomina Teorema de trabajo y energía cinética, cuyo enunciado establece que:

El trabajo mecánico de la suma de todas las fuerzas aplicadas sobre un cuerpo es igual a la variación de la energía cinética que experimenta dicho cuerpo.

Matemáticamente se expresa:

El Teorema de trabajo y energía cinética se aplica, por ejemplo, en una pelota de fútbol al impactar sobre los guantes del arquero, que se mueven hacia atrás al recibirla.

ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA   

Es la energía que tienen los cuerpos que se encuentran a una altura cercana a la superficie terrestre, es decir que esta energía la poseen todos los cuerpos que se ubican en un campo gravitatorio. Éste es de intensidad constante cada vez que el cuerpo está cerca de la Tierra o de un cuerpo celeste.

¿Sabías qué?
La gravedad en la Tierra tiene un valor de 9,806 m/s2.
La gravedad

Es una de las fuerzas esenciales del universo: gracias a ella, por ejemplo, la Tierra orbita alrededor del Sol. Del mismo modo, permite que la atmósfera no se pierda en el espacio o incluso que simplemente podamos caminar.

 

VER INFOGRAFÍA

Los cuerpos que se ubican a una altura sobre la superficie de la Tierra tienen cierta cantidad de energía que usan como trabajo mecánico al caer. Esto se manifiesta si deforma el lugar donde cae.

La energía potencial gravitatoria se mide en joule (J) y se expresa matemáticamente como:

Donde:

g = aceleración gravitatoria (m/s2).

m = masa (en kg).

h = altura (en m) con respecto al cero de referencia escogido.

Trabajo y energía potencial gravitatoria

Por lo general se considera la superficie terrestre como el nivel cero. De este modo, si dos cuerpos se ubican a la misma altura, el cuerpo con mayor masa tendrá la mayor energía potencial gravitatoria. Caso contrario, si ambos cuerpos tienen la misma masa, pero se encuentran en diferentes alturas, el cuerpo con altura mayor tendrá la mayor energía potencial gravitatoria.

Para que un cuerpo llegue a una posición elevada hace falta que realice un trabajo contra la gravedad y puede expresarse simbólicamente así:

Donde:

W = trabajo mecánico.

F = fuerza necesaria para equilibrar el peso.

Δy = desplazamiento vertical.

 

Ejemplo práctico

  1. Si la energía potencial en el suelo es 0, ¿cuál sería la energía potencial gravitatoria que tiene un ascensor con una masa de 1.000 kg ubicado a 400 m sobre esta superficie?

Solución:

  1. Si se coloca una bola de madera y una de acero, ambas del mismo tamaño, a la misma altura sobre el suelo, ¿cuál de la dos bolas tendrá mayor energía potencial gravitatoria?

Solución:

Los valores de la gravedad y de altura son iguales para ambas bolas. Sin embargo, la masa no. A pesar de tener el mismo tamaño, la bola de acero tendrá más masa que la bola de madera y, por lo tanto, más densidad. Así, la bola de acero es la que tiene mayor energía potencial gravitatoria.

ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA

Este tipo de energía la poseen los cuerpos que sufren deformaciones. Esto sucede por una fuerza que le permite estirarse, acortarse, achatarse, sufrir una pequeña deformación o cambiar completamente su forma.

¿Qué es la deformación?

Es el cambio en la forma de un objeto cuando se encuentra sometido a una o varias fuerzas. Por ejemplo, al aplastar un pedazo de plastilina se aplica una fuerza y se puede ver que su forma cambia, es decir, se deforma como resultado de dicha fuerza.

 

Un resorte tiene energía potencial elástica cuando se estira y se comprime.

La energía potencial elástica se mide en joule (J) y puede representarse matemáticamente como:

Donde:

k = constante elástica (en N/m).

Δx = elongación del resorte (en m).

Cuando se estira una goma elástica, almacena energía potencial elástica. Al soltarla, recuperará su posición y liberará la energía.

Trabajo y energía potencial elástica

El trabajo mecánico que realiza la fuerza elástica ejercida por un resorte sobre un cuerpo es igual a la diferencia entre la energía potencial de los puntos entre los cuales actúa. Se expresa de la siguiente manera:

Donde:

W = trabajo mecánico.

Fe = fuerza elástica.

A y B = puntos entre los cuales actúa el trabajo.

Epe = energía potencial elástica.

La intensidad de la fuerza elástica se expresa matemáticamente así:

Donde:

k = constante elástica (en N/m).

Δx = elongación del resorte (en m).

Ejemplo práctico

A un resorte se le aplica una fuerza de 18 N, lo que hace que se comprima 6 cm. ¿Cuál es la energía potencial elástica del resorte en esa posición?

Solución:

a) Calcular constante de elasticidad.

b) Calcular valor de energía potencial elástica.

RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo “Movimiento y trabajo mecánico”

Este artículo explica los conceptos de trabajo desde el punto de vista físico, así como las unidades y fórmulas.

VER

 

Video “Energía de un oscilador mecánico”

Este recurso audiovisual le permitirá comprender los parámetros de movimiento oscilatorio armónico.

VER

 

 

 

 

Ley de Coulomb y ley de gravitación universal

La ley de Coulomb y la ley de gravitación universal son de gran importancia para entender el comportamiento de dos de las fuerzas fundamentales en la naturaleza: la eléctrica y la gravitacional. Ambas leyes se representan por medio de expresiones matemáticas muy similares, sin embargo sus diferencias son notorias.

Ley de Coulomb Ley Gravitacional universal
Enunciado La fuerza eléctrica de atracción y repulsión entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa. La fuerza gravitacional de atracción entre dos masas es directamente proporcional al producto de las mismas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
Interacción Fuerza entre cargas. Puede ser atractiva o repulsiva. Fuerza entre masas. Siempre es atractiva.
Efectos Más evidente en cuerpos pequeños: los átomos. Más evidente en cuerpos grandes: galaxias, planetas y estrellas.
Expresión matemática F_{E} = K \frac{q_{1}q_{2}}{r^{^{2}}} F_{G} = G \frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}
Cuerpos implicados Cargas: q_{1}q_{2} Masas: m_{1}m_{2}
La distancia entre: Los centros de las cargas es r Los centros de las masas es r
Constante K = 9 . 10^{9} N.m^{2}/C^{2} G = 6,67 . 10^{-11} N.m^{2}/kg^{2}
Fuerza sobre el átomo de hidrógeno Carga del electrón del átomo de H

q_{1} = - 1,6 . 10^{-19} C

 

Carga del protón del átomo de H

q_{2} = 1,6 . 10^{-19} C

Masa del electrón del átomo de H

m_{1} = 9,1 . 10^{-31} kg

 

Masa del protón del átomo de H

m_{2} = 1,67 . 10^{-27} kg

Enlace iónico y enlace covalente

Los enlaces químicos son las interacciones que existen entre los átomos que conforman una molécula. Estas interacciones son de naturaleza variable, es decir, no son iguales para todos los compuestos y depende de las características propias de cada átomo que forma el enlace. Los enlaces químicos pueden ser iónicos o covalentes. 

Enlace iónico Enlace covalente
Tipo de unión Por electrones transferidos. Por electrones compartidos.
Átomos implicados Metálicos con no metálicos. No metálicos con no metálicos.
Atracción entre: Iones (átomos con carga positiva o cationes, y átomos con carga negativa o aniones). Núcleos y electrones compartidos.
Tipo de estructura Red cristalina.

Moléculas simple o gigantes.

Direccionalidad No direccional. Direccional.
Diferencia de elctronegatividad Elevada.

Mayor a 1,7.

Baja.

Menor a 1,7. Puede ser 0.

Punto de fusión de sus compuestos Elevado. Bajo.
Punto de ebullición de sus compuestos Elevado. Bajo.
Solubilidad de sus compuestos Solubles en agua. Generalmente insolubles.
Conductividad de sus compuestos Conductores de corriente eléctrica en disolución. No conducen corriente eléctrica.
Representación de cómo se forma cada enlace

Cloruro de sodio (NaCl)

Agua (H2O)

Ejemplos NaCl, MgO, CuSO4,LiF, MgCl2, AgNO3, K2SO4,KOH, K2Cr2O7 O2, F2, H2O, N2, NH3, CH4, CO2, SiO2, SO3, PCl5, CO, C2H2, C3H8

 

Conceptos fundamentales de cinemática: movimiento uniforme

Sólo existe un movimiento en el que el vector velocidad es invariable en módulo, dirección y sentido: el movimiento rectilíneo uniforme (o simplemente movimiento uniforme), que es el que tiene un móvil que se mueve en línea recta con velocidad constante.

Si tenemos dos puntos, P0 y P, de la trayectoria que recorre un móvil con movimiento uniforme y tomamos esa recta como eje x, esos puntos quedarán fijados con una única coordenada: su abscisa. Los vectores

 serán:

y la velocidad media entre P0 y P será:

Como la velocidad instantánea es constante, podemos escribir:

Si empezáramos a medir los tiempos cuando el móvil se halla en el punto P0, sería t0 = 0, y por lo tanto, x = x0 + v·t. Y si además tomásemos el origen de abscisas en el punto P0, se reduciría a x = v·t.

Caída libre

Es el movimiento que posee un cuerpo que únicamente se encuentra sometido a la acción de la fuerza de la gravedad.

Fuerza de la gravedad

Resultante de la atracción gravitatoria y de la fuerza centrífuga debida a la rotación de la Tierra.

Instante inicial de un movimiento

Instante en el que empieza a contarse el tiempo en la descripción de un movimiento, es decir, instante en el cual es t = 0. Asimismo, se denomina velocidad inicial a la velocidad que tiene el móvil en ese instante y aceleración inicial a su aceleración en ese mismo instante.

Conceptos de la dinámica del punto material: impulso y cantidad de movimiento 

La cantidad de movimiento de un móvil se define como el producto de su masa por su velocidad. Es, pues, el producto de un escalar por un vector y por lo tanto es una magnitud vectorial, que representaremos como p. 

 Será pues:

La cantidad de movimiento es en general una función del tiempo; sólo sería constante si el movimiento fuese uniforme. Sus dimensiones en el Sistema Internacional y CGS son [M]·[L]·[T]-1, y en el técnico, [F]·[T].

El impulso de una fuerza que actúa durante un intervalo de tiempo ∆t se define como el producto del valor medio de esa fuerza Fm durante ese intervalo de tiempo; por ese intervalo. Es el producto de un vector por un escalar y, por lo tanto, será un vector con la misma dirección y sentido que Fm
; lo representaremos como j. Será, pues:

Si en el intervalo de tiempo considerado la fuerza fuese constante, podríamos escribir simplemente:

Las dimensiones del impulso en el Sistema Internacional y CGS son [M]·[L]·[T]-1, y en el técnico, [F]·[T].

Como la ecuación fundamental de la dinámica F =m.a se cumple en todo instante, si la fuerza varía con el tiempo, podremos escribir:

Es decir, que la fuerza media que ha actuado en un intervalo de tiempo es igual a la masa por la aceleración media durante ese intervalo. Como la aceleración media es:

tendremos:

Y, puesto que:

podremos escribir:

En el caso particular de que la fuerza fuese constante en todo el intervalo de tiempo considerado, la igualdad anterior se escribiría:

Estas igualdades nos dicen que el impulso de una fuerza que actúa sobre un punto material durante un intervalo de tiempo ∆t es igual a la variación de la cantidad de movimiento que produce. Por lo tanto, si durante un intervalo de tiempo no actúa ninguna fuerza o si el valor medio de la fuerza que actúa es nulo, la cantidad de movimiento del punto material no variará. Éste es el teorema de la conservación de la cantidad de movimiento, que de momento hemos formulado para un punto material y más adelante extenderemos a sistemas de puntos materiales.

Ejemplo:

Un automovilista que viaja en su coche a 100 km/hora pisa el freno ejerciendo una fuerza de frenado constante de 1.000 N durante cinco segundos. Calcular la cantidad de movimiento que tendrá el automóvil tras frenar, sabiendo que la masa total del vehículo (con el conductor incluido) es de 1 080 kg.

Solución:

Como nos dicen que la fuerza de frenado es constante, aplicaremos la fórmula:

y, como la fuerza de frenado y la velocidad tienen la misma dirección, podemos escribir simplemente:

Por lo tanto:

F.∆t= 1000.5 = 5000N.s

La variación (disminución, en este caso) de la cantidad de movimiento es: ∆t m.v = 5000 kg.m/s.

La nueva cantidad de movimiento del vehículo será la que tenía antes de frenar más esta variación (negativa). Será:

Valor medio en un tiempo t 

Para una magnitud variable A = A(t), su valor medio (Am) es el promedio de los valores que toma en cada instante. Es decir, considerando intervalos de tiempo muy pequeños, es:

Para realizar este cálculo, en general, es preciso recurrir al cálculo integral.