CAPÍTULO 13 / TEMA 1

Análisis de riesgo

Al realizar un análisis de riesgo se considera la probabilidad de que ocurran eventos adversos causados ​​por procesos naturales o ​​por actividades humanas malintencionadas o inadvertidas, y así poder identificar su daño potencial.

DEFINICIÓN DE RIESGO Y PELIGRO

Peligro

Es cualquier cosa que tiene el potencial de causar daño y su identificación es sólo el primero de una serie de pasos para evaluar el peligro que una sustancia o actividad puede representar en una circunstancia particular.

¿Qué tipos de peligros hay?

  • Biológicos: bacterias, virus, plantas, animales y humanos.
  • Químicos: sustancias tóxicas que tienen diferentes propiedades físicas y químicas.
  • Físicos: radiación, campos magnéticos, presiones extremas y ruido, etc.
  • Psicosociales: estrés, violencia, etc.
  • Seguridad: resbalones, tropiezos, protección inadecuada, mal funcionamiento o averías de algún equipo que se manipule.

Riesgo

Es la probabilidad de que un peligro cause daño. Se trata de determinar qué tan nociva es una sustancia o a cuánto tiempo puede estar expuesta una persona en una determinada actividad.

Comprender el riesgo nos permite usar de manera segura la estufa en nuestra cocina.

Categorización del riesgo

El nivel de riesgo a menudo se clasifica según el daño potencial o el efecto adverso para la salud que puede causar el peligro, la cantidad de veces que las personas están expuestas y la cantidad de personas expuestas.

¿Sabías qué?
La exposición a las fibras de asbesto en el aire siempre se clasificará como alto riesgo, porque una sola exposición puede causar una enfermedad pulmonar potencialmente mortal.

¿Cómo se evalúan los riesgos?

  • Identificar los peligros y los factores de riesgo que pueden causar daños.
  • Analizar y evaluar el riesgo asociado con ese peligro.
  • Determinar formas adecuadas para eliminar el peligro o controlar el riesgo cuando el peligro no se puede eliminar.

PELIGROS NATURALES

Un peligro natural es una amenaza de un evento de la naturaleza que tendrá un efecto negativo en los humanos. Este efecto negativo es lo que llamamos un desastre natural.

Cuando una amenaza peligrosa realmente ocurre y perjudica a los humanos se la conoce como desastre natural.

Los peligros naturales son el resultado de procesos naturales que han operado a lo largo de la historia

Los procesos más peligrosos son también los procesos geológicos que afectan a los humanos todo el tiempo, pero son más notables cuando causan la pérdida de vidas o propiedades.

Entre los peligros naturales y posibles desastres a considerar se encuentran:

  • Temblores: eventos sísmicos que se producen por la liberación de energía en el interior de la tierra.

Ver infografía

  • Erupciones volcánicas: ocurren cuando de un volcán emerge magma o roca fundida, en forma de lava y gases.

Ver infografía

¿Sabías qué?
El Reventador, un estratovolcán activo de Ecuador, ha tenido al menos 16 períodos eruptivos desde 1541 y su última erupción ocurrió en diciembre de 2017.
  • Tsunamis: perturbaciones que se generan en los océanos u otros cuerpos de agua tras la formación de una serie de olas gigantes.

Ver infografía

  • Derrumbes: ocurren cuando en una montaña la tierra se mueve, se cae o se desplaza por la pérdida de su estabilidad.
  • Inundaciones: se originan cuando el agua sube mucho de nivel en ríos, mares, lagunas y lagos, y cubre los lugares que normalmente están secos.
  • Sequías: producidas por falta de precipitaciones en un determinado lugar. Como consecuencia, la flora no se desarrolla, los suelos se vuelven infértiles y los animales se deshidratan.
  • Huracanes: masas de diferentes vientos que, a modo de torbellinos, atraviesan lugares de manera impetuosa.
  • Tornados: columnas de aire violentamente giratorias que se extienden desde la base de una tormenta hasta el suelo.

Ver infografía

  • Impacto de asteroides: si el asteroide golpea la Tierra, una gran cantidad de polvo es arrojado a la atmósfera, y si golpea en el agua, habrá un aumento en el vapor de agua de la atmósfera.
Los ciclones tropicales presentan fases que corresponden a depresiones tropicales, tormentas tropicales y huracanes.

FACTORES DE RIESGO ANTRÓPICOS

El riesgo es característico de la relación entre humanos y procesos geológicos. El riesgo de los peligros naturales, si bien no puede eliminarse, puede entenderse de tal manera que se logre minimizar el peligro para los humanos.

Los seres humamos tomamos riesgos todos los días.

Los seres humanos a veces podemos influir en los desastres naturales, como por ejemplo, cuando se coloca un dique de contención deficiente que conduce a una posible inundación. Otras veces los desastres son generados por acción directa, como en los derrames de petróleo y otros materiales tóxicos, la contaminación, los accidentes masivos de automóviles o trenes y los choques de aviones.

Riesgos por el comportamiento humano:

Aludes o avalanchas humanas.

Vandalismo.

 

Sabotaje.

 

Daño colectivo.

 

VULNERABILIDAD AL PELIGRO

La vulnerabilidad se refiere a la forma en que un peligro o desastre afectará la vida y la propiedad de las personas. Se tienen en cuenta:

  • La proximidad a un posible evento peligroso.
  • La densidad de población en el área proximal al evento.
  • La comprensión científica del peligro.
  • La educación de las personas y la conciencia sobre el peligro.
  • La existencia de sistemas de alerta temprana y líneas de comunicación.
  • La disponibilidad de infraestructura de emergencia.
  • Los estilos de construcción y códigos de construcción.
  • Los factores culturales que influyen en la respuesta pública a las advertencias.
RECURSOS PARA DOCENTES

Artículo “Erupción volcánica”

Uno de los fenómenos naturales más peligrosos es la erupción de un volcán debido a su fuerte impacto sobre las poblaciones aledañas y los riesgos asociados.

VER

Artículo “Los excesos y los peligros en la juventud”

Los jóvenes son los más vulnerables ante la posibilidad de cometer excesos, debido a que están en una etapa de la vida repleta de cambios: biológicos, psicológicos y sociales.

VER

Infografía “Vida en la nieve”

Con este recurso podrá dar a conocer cómo se da la vida en la nieve y los riesgos que representa.

VER

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 / REVISIÓN

LA ENERGÍA | ¿qué aprendimos?

¿Qué es la energía?

Los movimientos y las transformaciones que presenciamos en nuestro día a día se originan gracias a la energía. Ésta no es más que la capacidad de producir cambios o la capacidad de un sistema físico para hacer el trabajo o mover algo contra una fuerza, como la gravedad. Hay muchos tipos de energía diferentes en el universo. Toma muchas formas.

El Sol provee energía a través de radiaciones electromagnéticas que son aprovechadas por el hombre.

Transformación y conservación de la energía

Con la transformación de la materia también hay transformaciones de una energía a otra. Además, la energía puede conservarse, es decir, mantenerse constante, traspasarse en forma de calor o trabajo, y también degradarse, es decir, puede perder su calidad en el proceso de transformación.

La ley de la conservación de la energía dice que la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Formas de energía

La energía se entiende como la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, como energía mecánica, energía química, energía térmica, energía radiante, energía eléctrica, energía magnética y energía nuclear.

En el proceso de fotosíntesis, la energía de la luz solar es convertida en energía química, la cual se almacena en los enlaces de carbohidratos.

Energía mecánica

El movimiento y los cambios de posición en los objetos se deben a la energía mecánica. Ésta resulta de la suma de dos formas de energía: la energía cinética, que es la energía que tienen los cuerpos en movimiento; y la energía potencial, que está relacionada con la posición del cuerpo. La energía potencial puede ser gravitatoria o elástica.

Cuando el vagón de una montaña rusa llega a la parte más elevada aumenta su energía potencial, mientras que al bajar y aumentar su velocidad incrementa su energía cinética.

Fuentes de energía

Las fuentes de energía son aquellos recursos naturales o cuerpos que almacenan energía que puede transformarse en energía utilizable. Pueden ser renovables o no renovables. Las fuentes de energía renovables son las más abundantes en la naturaleza y son inagotables, por ejemplo: la energía hidráulica, la energía solar y la energía geotérmica. En cambio, las fuentes no renovables son las más utilizadas a pesar de ser limitadas, por ejemplo los combustibles fósiles.

La energía nuclear es una fuente de energía no renovable. Un ejemplo de ella es la bomba atómica.

Fenómenos ondulatorios

Una onda es una perturbación que se propaga en el espacio. Las ondas pueden comportarse de distintas maneras según el medio en el que se encuentren y se caracterizan por transportar energía, más no materia. Las ondas pueden ser transversales o longitudinales según la dirección en la que se propagan; también se pueden clasificar como mecánicas o electromagnéticas según el medio de propagación.

La luz y el sonido son ejemplos de ondas.

El calor y la temperatura

Aunque en nuestro vocabulario estos términos se usen sin distinción, el calor y la temperatura no son lo mismo. El calor es una forma de energía que se transfiere de un material más caliente a otro menos caliente, mientras que la temperatura es la medida de la cantidad de movimiento de las moléculas de un sistema; es decir, es una medida de la energía térmica.

La temperatura es una magnitud que puede medirse con un termómetro.

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

 

 

 

 

CAPÍTULO 4 / TEMA 1

¿Qué es la energía?

Todos los objetos a nuestro alrededor tienen la capacidad de producir cambios. Por ello, convivimos con movimientos y transformaciones constantes, algunos más perceptibles que otros, pero que tienen su origen en un único concepto: la energía.

ENERGÍA: CAPACIDAD DE PRODUCIR TRABAJO

Ley de conservación de la energía

La energía no puede ser creada ni destruida, sino que puede ser transformada, por lo que la cantidad total de energía es siempre la misma. Por ejemplo, la energía lumínica del Sol se transforma en energía eléctrica mediante el uso de paneles solares.

La energía es la capacidad de un sistema físico para hacer el trabajo o mover algo contra una fuerza, como la gravedad. Si bien no se tiene una definición concreta de energía, los físicos han logrado determinar una ley universal: si la energía de un cuerpo aumenta en determinada cantidad, la de otro disminuye de manera proporcional.

La energía que la humanidad necesita en un año es irradiada por el Sol en 15 minutos.
¿Sabías qué?
El término “energía” proviene del griego enérgeia, que significa “actividad”. Pero esta idea no debe confundirse: no es necesario un movimiento abrupto para reconocer la presencia de energía ya que, en realidad, se encuentra en todos lados aunque no sea posible observarla.

TIPOS DE ENERGÍA

La energía es la capacidad de realizar cambios en los sistemas y los cuerpos. Hay diferentes tipos de energía en el universo y en muchas formas.

Energía primaria

La producción de energía primaria se relaciona con las formas de energía disponibles en la naturaleza antes de ser transformadas, como el petróleo, el gas natural, los combustibles sólidos, los combustibles renovables y la electricidad primaria.

 

VER INFOGRAFÍA

Energía mecánica

Es la energía almacenada en objetos y es la suma de otras dos fuentes de energía: cinética y potencial. Por ejemplo, justo en el punto más elevado de una montaña rusa, toda la energía del vagón es energía potencial y al comenzar a descender la energía potencial se transforma en energía cinética.

¿Qué es la energía hidráulica?

Es la energía producida por el aprovechamiento de la energía cinética y potencial gravitatoria de los saltos de agua natural. Se aplica en la generación de energía eléctrica para ciudades, pueblos e industrias.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía que tiene un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro, y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética. Por ejemplo, si una pelota se levanta, adquiere energía potencial de la gravedad que se vuelve aparente al caer.

Tipos de energía potencial

 

 

Energía potencial elástica

Resulta de estirar y comprimir objetos elásticos, como las ligas.

 

Energía potencial gravitacional

Resulta del almacenamiento de energía por la fuerza de gravedad, como un fruto que cuelga de un árbol.

 

 

Energía potencial química

Resulta de la transformación de energía química a través de una reacción química, como el cambio de energía eléctrica a química en una pila.

Energía cinética

Significa “movimiento”. Cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. La energía de los ríos y la del viento son formas de energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

Al lanzar una pelota se transfiere energía cinética para que pase del estado de reposo al estado en movimiento.
Ventajas de la energía cinética

– No genera residuos tóxicos.

– Los parques generadores de energía cinética pueden construirse en terrenos no aptos para otras actividades.

– Los parques generadores son de rápida instalación.

Energía térmica

Todos los materiales están compuestos por moléculas en constante movimiento. La energía térmica es producto del movimiento de esas moléculas, es decir, la energía cinética que poseen. Cuanto más se muevan y choquen entre sí, mayor será el calor que generen y, por lo tanto, aumentará su temperatura y su energía térmica.

¿El calor es igual a la temperatura?

No. El calor es una forma de energía que se transfiere entre diferentes cuerpos o distintas partes de un cuerpo, las cuales presentan distintas temperaturas. Por su parte, la temperatura es una magnitud que da cuenta de nociones como frío, caliente o tibio. La misma se mide a través de un termómetro.

 

VER INFOGRAFÍA

 

Energía química

Es aquella que es liberada durante las reacciones químicas. Podemos encontrar este tipo de energía siempre en la materia, pero sólo se manifiesta cuando ocurre un cambio en ella. Algunos ejemplos de energía química son la combustión y la energía nuclear.

Energía eléctrica

VER INFOGRAFÍA

Es la energía transferida de un sistema a otro mediante el uso de electricidad, que es el movimiento de partículas cargadas. En otras palabras, este tipo de energía es causada por el movimiento de los electrones a través de materiales conductores de la electricidad.

Puede generarse a partir de otras energías y a su vez puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

La mantarraya puede generar corrientes eléctricas de hasta 200 voltios.
¿Qué es una represa hidroeléctrica?

Es un sistema diseñado y construido para producir energía eléctrica mediante el aprovechamiento del caudal de los cursos de agua.

 

VER INFOGRAFÍA

Energía radiante

Es energía transportada por la radiación. Tanto la luz visible como la radiación infrarroja son formas de energía radiante, ambas son emitidas por el Sol.

La energía de los rayos solares puede recuperarse y convertirse en electricidad o calor.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas pueden propagarse por el vacío, por eso los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden alcanzar la superficie de la Tierra.

¿Sabías qué?
La energía radiante es aplicada en radiografías, medicina nuclear, radios y algunos aparatos electrónicos.

Energía nuclear

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones del núcleo atómico son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Las reacciones en el núcleo pueden ser de fusión o de fisión.
¿Sabías qué?
En estrellas como el Sol, la energía atómica se libera cuando los núcleos se combinan en un proceso conocido como fusión.
¿Qué es un reactor nuclear?

Es una instalación física donde se produce, mantiene y controla una reacción nuclear en cadena. Se puede utilizar para la obtención de energía, para la producción de materiales fisionables como el plutonio, como armamento nuclear, o para la propulsión de buques o de satélites artificiales.

 

VER INFOGRAFÍA

Energía magnética

Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos podemos encontrar el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

UNIDADES DE MEDIDA DE ENERGÍA

Una de las propiedades de la energía es que puede ser medida. Para ello, según el Sistema Internacional, la unidad más utilizada es el “Joule” o “Julio”, y es simbolizada con la letra jota mayúscula (J). Esta unidad es nombrada así en honor al físico James Prescott Joule, quien fue uno de los científicos más importantes de su época. Estudió, entre otras cosas, el magnetismo y su relación con el trabajo mecánico, lo que lo condujo a la teoría de la energía. El Joule equivale a:

Donde

N = Newton

m = metros

kg = kilogramos

s = segundos

Otras equivalencias

Nombre Equivalencia en julios
Caloría (cal) 4,1855
Kilovatio hora (kWh) 3.600.000
Electronvoltio (eV) 1,6023 x 10-19
British Thermal Unit (BTU) 1.005,05585
Ergio (erg) 1 x10-7
Energía en los alimentos

Cada célula de nuestro cuerpo requiere energía para funcionar adecuadamente. Ésta es proporcionada por las calorías y por ello resulta importante conocer la cantidad que aportan los nutrientes que ingerimos y así evitar consecuencias negativas para nuestro organismo.

 

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “Intercambio de calor”

Recurso audiovisual que le permitirá profundizar sobre el proceso de transferencia de energía en forma de calor de un cuerpo a otro.

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Aplicaciones del magnetismo: la brújula, el campo electromagnético

Este video describe a detalle el funcionamiento magnético de una brújula.

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CAPÍTULO 4 / TEMA 3

Formas de energía

La energía es la capacidad que posee un cuerpo de realizar distintos tipos de trabajo, como el movimiento, el calor o la luz. Esta energía puede manifestarse de muchas maneras, ya sea transferida o transformada de un tipo a otro.

ENERGÍA MECÁNICA

Es la energía almacenada y relacionada con la posición y el movimiento de los cuerpos. Asimismo, es producto de la suma de otras dos formar de energía: la cinética y la potencial.

¿Sabías qué?
En física, el trabajo es un principio de la mecánica que comprende una fuerza y un desplazamiento; el 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.

Energía potencial

Es cualquier forma de energía con un potencial almacenado que puede ser usado en el futuro y que solamente se manifiesta al convertirse en energía cinética.

La energía potencial se puede presentar como:

Energía potencial gravitatoria

Es la que poseen los cuerpos debido a la fuerza de gravedad que ejerce la Tierra.

Energía potencial elástica

Es la energía acumulada en un cuerpo elástico, es decir, aquellos que tienen la capacidad de deformarse y luego recuperar su forma original.

Energía potencial química

Es aquella que se transforma en energía cinética a partir de un proceso de combustión interna.

Energía cinética

Significa “movimiento”, cuanto más rápido se mueve un objeto, mayor es su energía cinética. Ésta se puede convertir en energía mecánica mediante molinos de agua, molinos de viento o bombas conectadas a turbinas o a electricidad.

El valor de esta forma de energía depende de la masa (m) y de la velocidad (v) del cuerpo.

Cuando se lanza una pelota, gana energía cinética progresivamente.
Justo en el punto más elevado de la montaña rusa, toda la energía del vagón sería energía potencial, y al comenzar a descender, la energía potencial se transforma en energía cinética.

ENERGÍA QUÍMICA

La energía química es aquella que posee la materia debido a su estructura interna, este tipo de energía se puede aprovechar de las reacciones químicas, ya que se origina en las uniones entre átomos y moléculas. Esta energía puede ser liberada o absorbida durante la reacción, por lo tanto también puede liberar o absorber calor.

Las reacciones químicas pueden ser:
Exotérmicas si liberan calor Endotérmicas si absorben calor

Respiración de los seres vivos.

 

Combustión de compuestos orgánicos.

Fotosíntesis.

 

Descomposición de proteínas.

¿Qué es la biomasa?

Es material orgánico que proviene de plantas y animales, y es una fuente de energía renovable. Cuando se quema el material se libera calor que puede ser aprovechado, es decir, se transforma la energía química contenida en energía térmica.

 

La combustión es una de las reacciones más comunes. En estas reacciones el oxígeno del aire reacciona con un combustible y libera energía en forma de calor. Esta transformación se puede representar de la siguiente forma:

 

Donde:

Pc = poder calorífico de un cuerpo al arder, es decir, la energía que puede obtenerse de un kilogramo de combustible.

m = masa del cuerpo que se quema (en kg).

V = volumen del cuerpo que se quema (en m3).

ENERGÍA TÉRMICA

La energía térmica es la manifestación de la energía en forma de calor, por lo tanto es una energía en “paso o de tránsito”, que se transfiere de un cuerpo a otro. Se debe al movimiento de las partículas que forman la materia. Cuando ese movimiento se acelera, aumenta la temperatura y por consiguiente hay más energía térmica.

Así, cuando un cuerpo esté a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. De este modo, el calor no es más que una forma de denominar a los aumentos y pérdidas de energía térmica.

El calor puede transferirse de distintas formas:

Conducción

Es la transferencia de energía térmica que se produce a través de un medio material sin que se manifieste transporte de materia.

Convección

Es la transferencia de calor por medio del movimiento de una masa fluida, como aire o agua. En esta forma de propagación sí hay transporte de materia.

Radiación

Es la transmisión del calor por ondas electromagnéticas, a diferencia de la conducción y convección, no necesita de un medio material para propagarse.

Se debe saber que a causa del intercambio de calor, un cuerpo puede variar su temperatura o cambiar su estado (por ejemplo, de líquido a sólido). Si se quiere calcular la cantidad de energía intercambiada es posible utilizar la siguiente ecuación:

Donde:

Q = cantidad de energía en forma de calor intercambiada entre los sistemas.

m = masa del sistema.

c = propiedad que depende del material que constituye el cuerpo y se denomina calor específico.

ΔT = variación de temperatura.

ENERGÍA RADIANTE

Este tipo de energía es producida por las ondas electromagnéticas, como las ondas de radio. Se caracteriza principalmente por la capacidad que tiene de propagarse en todas las direcciones en el vacío sin soporte material.

La energía solar es un ejemplo de energía radiante.

La energía radiante está en constante movimiento y a velocidades altísimas, lo que forma ondas que poseen distintas longitudes y frecuencias. La mayoría de estas ondas puede propagarse por el vacío, por eso, los rayos del Sol o las ondas de los satélites pueden llegar hasta la superficie de la Tierra.

Ejemplos de energía radiante

 

Rayos X.

 

 

Rayos infrarrojos.

 

 

Rayos ultravioletas.

¿Qué son las ondas electromagnéticas?

Son aquellas que se pueden propagar en el vacío sin necesidad de un medio material. La luz, los rayos x, los rayos láser y otros, son ejemplos de ondas electromagnéticas.

ENERGÍA ELÉCTRICA

Este tipo de energía es causada por el movimiento de las cargas eléctricas o de los electrones que poseen los materiales conductores. Puede generarse a partir de otras energías y, a su vez, puede ser transformada y producir varios efectos: luminosos, térmicos y magnéticos.

Un relámpago es la emisión de luz seguida de la descarga eléctrica del rayo.

La energía eléctrica es aquella que se usa al encender la luz, calentar la comida con el horno de microondas o cargar el teléfono celular. Una forma de obtener energía eléctrica a partir del Sol es mediante la utilización de paneles solares.

La energía eléctrica puede representarse de la siguiente manera:

Donde:

P = potencia expresada en vatio (W).

t = tiempo en segundos.

V = voltaje en voltios (V).

R = resistencia eléctrica en ohmios (Ω).

I = intensidad d corriente en amperios (A).

¿Qué es la electricidad?

El término “electricidad” deriva del griego electron, que significa “ámbar”, y con este nombre se denominan todos los fenómenos físicos relacionados con la atracción de cargas negativas o positivas, y resultantes de la presencia y flujo de una corriente eléctrica.

 

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ENERGÍA MAGNÉTICA

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Es la capacidad de atraer o repeler que poseen algunos materiales sobre otros y que originan campos magnéticos permanentes que producen energía magnética. Existen diversos materiales con propiedades magnéticas, entre ellos se encuentran el níquel, el cobalto, el hierro y sus aleaciones. Sin embargo, la presencia de campos magnéticos influye, en mayor o menor medida, en todos los materiales.

¿Sabías qué?
En año 1819, el danés Hans Christian Orested fue el primero en relacionar los imanes con las corrientes eléctricas para definir lo que hoy se conoce como electromagnetismo.

Teorías del magnetismo

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Para poder comprender el fenómeno del magnetismo se han desarrollado distintas teorías.

Teoría de Weber

Un imán puede dividirse indefinidamente y aun así conservar sus propiedades magnéticas. Los materiales están compuestos de pequeñas moléculas imantadas.

Teoría de Ewing

Los materiales están compuestos por grupos de átomos con momentos magnéticos diferentes que son capaces de reordenarse cuando se les aproxima un material imantado y volverse magnéticos.

Teoría de Ampere

Cuando las corrientes elementales de un material ferromagnético son ordenadas, éste adquiere propiedades magnéticas.

¿Qué es un campo magnético?

Es la región en la cual el imán ejerce sus efectos. Esta zona muchas veces no puede ser observada a simple vista. Para representar el campo magnético se utilizan líneas denominadas líneas de fuerza.

Las brújulas y los imanes representan los ejemplos más comunes de magnetismo.

ENERGÍA NUCLEAR

Es la energía contenida en el núcleo de un átomo. Se puede obtener a través de reacciones de fisión y fusión de un núcleo atómico. Dentro de los núcleos atómicos, las fuerzas entre los protones y neutrones son muy intensas, por lo que los procesos de transformación nuclear generan gran cantidad de energía.

Tipos reacciones nucleares

Reacción de fusión

Es un proceso en el que dos núcleos ligeros se unen para formar un núcleo más pesado. En el proceso se desprende gran cantidad de energía.

Reacción de fisión

Es un proceso en el que un núcleo de gran tamaño se divide en núcleos más pequeños mientras libera neutrones y gran cantidad de energía.

En estas reacciones nucleares la energía se expresa en relación a la masa:

Donde:

E = energía, se mide en julios (J).

m = masa que desaparece (en kg).

c = velocidad de la luz (3 x 108 m/s).

Bomba atómica

La bomba atómica adquiere su nombre debido a su funcionamiento, ya que no depende de la combustión de algún material o de la reacción de algunos materiales o elementos químicos, sino que se basan en reacciones nucleares.

 

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RECURSOS PARA DOCENTES

Video “energía de un oscilador mecánico”

Recurso audiovisual que le permitirá resolver problemas sobre energía de un oscilador mecánico.

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Video “Física nuclear: desintegración radiactiva”

Este video explica en detalle en qué consiste el proceso de desintegración de núcleos radiactivos.

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Video “Energía y las reacciones químicas”

Este recurso describe cómo se manifiesta la energía en las reacciones químicas.

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Anabolismo y catabolismo

El metabolismo es un proceso bioquímico que permite que un organismo viva, crezca, se reproduzca, sane y se adapte a su entorno. El anabolismo y el catabolismo son dos procesos o fases metabólicas, uno construye moléculas que el cuerpo necesita y el otro transforma las moléculas complejas en moléculas más pequeñas mediante la liberación de energía.

Anabolismo Catabolismo
Definición Los procesos anabólicos usan moléculas simples dentro del organismo para crear compuestos más complejos y especializados. Los procesos catabólicos descomponen compuestos complejos y moléculas para liberar energía.
Moléculas Las construye. Transforma las moléculas más complejas en otras más pequeñas.
Energía Requiere energía. Libera energía.
Conversión de la energía La energía cinética se convierte en energía potencial. La energía potencial se transforma en energía cinética.
Hormonas Estrógeno, testosterona, insulina y la hormona del crecimiento. Adrenalina, cortisol, glucagón y citosinas.
Oxígeno No utiliza oxígeno. Utiliza oxígeno.
Importancia Apoya el crecimiento de nuevas células, el almacenamiento de energía y el mantenimiento de tejidos corporales. Proporciona energía para el anabolismo, calienta el cuerpo y permite la contracción muscular.
Efecto sobre el ejercicio Los ejercicios anabólicos generalmente desarrollan masa muscular. Los ejercicios catabólicos suelen ser buenos para quemar grasas y calorías.
Ejemplos Asimilación en los animales y fotosíntesis en las plantas. Respiración celular, digestión y excreción.

 

Energía cinética y energía potencial

Un sistema posee energía si tiene la capacidad de hacer el trabajo. El trabajo desplaza la energía de un sistema a otro. Hay muchos tipos diferentes de energía que se dividen en dos formas principales: cinética y potencial. Aunque puede transformarse de un tipo a otro, la energía nunca puede ser creada o destruida.

 

Energía cinética Energía potencial
Se asocia con:
El movimiento. La energía almacenada.
Depende de: La masa del objeto y su velocidad. La fuerza que actúa sobre dos objetos.
Se puede convertir en: Energía potencial Energía cinética
Unidad de medición Joule (J) Joule (J)
Formas de energía
Mecánica, térmica, eléctrica, radiante y sonora. Eléctrica, química y nuclear.
Fórmula Ek= ½ m. v2 EPg= m.g.h
Ejemplo Cualquier tipo de movimiento. Al separar dos imanes.

 

Huracán, tornado y torbellino

Los fenómenos atmosféricos se pueden definir como eventos naturales que ocurren en la troposfera como resultado de cambios en los patrones climáticos. En algunos de ellos el viento interviene de manera directa y decisiva, tal es el caso de los huracanes, tornados y torbellinos.

Huracán Tornado Torbellino
Tipo de fenómeno Meteorológico Meteorológico Meteorológico
Parámetro atmosférico
Viento Viento Viento
Rango 160 a 1.600 km 0,8 a 4 km hasta 100 km
Velocidad 119 a 250 km/h 65 a 180 km/h 200 km/h
Duración Días o semanas. Unos pocos segundos, hasta unas pocas horas. Unos pocos minutos.
Lugar Se forma en el océano. Se forma en las nubes y llega al suelo o al mar. Cuando ocurre en el mar o en un lago se denomina tromba. Se forma en el suelo.
Potencial destructivo De medio a alto Alto Bajo

 

Conceptos de la dinámica del punto material: energía

La energía se define como la capacidad para realizar trabajo. La gasolina, por ejemplo, puede quemarse en un motor para realizar el trabajo de impulsar un pistón: la gasolina almacena energía química. En el lenguaje corriente se habla de energía eólica, nuclear, geotérmica, mareomotriz, etc., y aunque atendiendo a su origen estas distinciones son adecuadas, desde un punto de vista estrictamente físico esas energías no siempre constituyen formas particulares. Así, la energía eólica es energía cinética y la energía mareomotriz es energía potencial.

Tipos de energía mecánica

En mecánica, sólo existen dos formas de energía: la cinética y la potencial. La primera es una energía actual asociada con el movimiento, y la segunda es una energía en potencia asociada con la posición o con la forma. Un cuerpo en movimiento posee una energía cinética que depende de su masa y su velocidad. Si, por ejemplo, usamos un martillo para clavar un clavo, lo que hacemos es comunicar una energía cinética al martillo, con lo cual, cuando éste golpea el clavo, puede realizar el trabajo de hundirlo en la madera. Ese trabajo es igual al producto de la fuerza que opone la madera a ser penetrada por el hundimiento del clavo que se ha logrado.

Cuando definimos la energía como capacidad para realizar trabajo, usamos el término trabajo en sentido físico: si hubiéramos fallado y en lugar de golpear la cabeza del clavo golpeábamos la madera (o, peor aún, nos hubiésemos golpeado un dedo), no habríamos realizado ningún trabajo útil para nosotros, pero la energía cinética del martillo hubiera sido la misma.

La energía potencial es la que adquiere un cuerpo cuando lo llevamos a una determinada posición en contra de una fuerza. Normalmente, cuando se habla de energía potencial esa fuerza es la atracción gravitatoria. Para elevar un cuerpo tenemos que realizar un trabajo; ese trabajo se almacena en el cuerpo en forma de energía potencial. Si después de elevarlo lo dejamos caer, el cuerpo adquirirá energía cinética y llegará al suelo con capacidad para realizar un trabajo.

Existen otras fuerzas que permiten almacenar energía potencial; así, si estiramos un muelle realizamos un trabajo contra la fuerza que opone el muelle a dejarse estirar: “cargamos” el muelle de energía elástica, que es una forma de energía potencial. Pero cuando hablamos de energía potencial nos referiremos a la que tiene un cuerpo por hallarse a cierta altura sobre el suelo.

De acuerdo con la definición, la energía tiene las mismas dimensiones que el trabajo y se medirá en las mismas unidades que éste.

Energía cinética

Para deducir la expresión de la energía cinética, suponemos que a un cuerpo de masa m que está en reposo le aplicamos una fuerza F hasta que adquiera una velocidad v: la energía cinética del cuerpo será el trabajo realizado por la fuerza F.

Se tratará de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, por lo tanto:

Podemos expresar e en función de v y de a:

Si en la ecuación del trabajo sustituimos e por esta expresión:

y como por la ecuación fundamental de la dinámica es F = m·a, tendremos que:

Podemos llegar a esta misma expresión planteando el problema al revés, esto es, suponiendo que tenemos un cuerpo de masa m que se está moviendo a una velocidad v y tiene una energía cinética E c, igualamos E c al trabajo que tiene que hacer una fuerza F para frenar al cuerpo hasta que se pare. En este caso el movimiento es uniformemente retardado:

A partir de estas dos igualdades podemos expresar e en función de v y de a:

Si en la ecuación del trabajo sustituimos e por esta expresión:

y, por ser F = m·a, será:

Energía potencial

La energía potencial es el trabajo realizado por una fuerza mediante la cual elevamos un cuerpo de masa m desde el suelo a una altura h mediante una fuerza F.

Elevamos el cuerpo con movimiento uniforme, por lo que ejercemos una fuerza de la misma intensidad al peso del cuerpo:

F = m·g

El trabajo realizado será:

Ep = W = F·h = m·g·h

Supongamos que tenemos un cuerpo de masa m situado a una altura del suelo h y lo soltamos: el cuerpo caerá bajo la acción de su peso y, evaluando el trabajo de la fuerza peso hasta el momento en que el cuerpo llega al suelo, hallamos la misma expresión, E p = W = m·g·h.

Hemos hablado del “suelo” pero sin especificar si se trataba del suelo de la habitación o de otro nivel: es indiferente, la expresión hallada es en cualquier caso válida. Para elevar un cuerpo desde el suelo hasta una altura h podemos elevarlo primero hasta una altura h 1 y después desde ahí a una altura h 2, siendo h 1 + h 2h. La energía potencial que adquiere el cuerpo es la misma que si lo elevamos directamente desde el suelo hasta la altura h, ya que:

Ep = m·g·h = m·g·(h1 + h2) = m·g·h1 + m·g·h2

Ejemplo

Cuando se mueve un cuerpo paralelamente al suelo no se realiza trabajo contra la fuerza gravitatoria ya que, como dijimos, el trabajo es nulo si la fuerza es normal al desplazamiento. Por esta razón, la energía potencial que adquiere un cuerpo cuando lo elevamos a una altura h no depende de la trayectoria que sigamos, ya que es posible considerar ésta dividida en la suma de un número muy grande de elementos muy pequeños tangentes a la misma y cada uno de estos elementos se puede descomponer en la suma de un elemento vertical y uno horizontal, siendo nulo el trabajo en los desplazamientos horizontales.

Conservación de la energía mecánica

Este principio constituye una aplicación restringida a la energía mecánica del primer principio de la termodinámica. Entendiendo por energía mecánica de un punto material la suma de sus energías cinética y potencial, este principio dice que la energía mecánica de un punto material sobre el que la única fuerza que actúa es la atracción gravitatoria permanece constante:

Ec + Ep = cte.

El principio puede tomarse como demostrado por la experiencia, aunque es fácil ver que es matemáticamente cierto.

En el estudio de la cinemática llegamos a la expresión:

Para la velocidad con que llega al suelo un cuerpo que cae desde una altura h, podemos llegar a esta fórmula a partir del principio de la conservación de la energía.

En efecto, igualando la energía potencial que el cuerpo ha perdido al caer con la energía cinética que ha ganado:

de donde, al simplificar y despejar:

Si sobre el punto material actúa una fuerza que hace variar la energía mecánica del móvil al realizar un trabajo W, será:

W = (Ec + Ep) = Ec + Ep

Esta expresión, muy útil en la resolución de problemas, nos dice que el trabajo realizado por un punto material (o por un sistema de puntos materiales), o bien el trabajo realizado sobre el punto material, se traduce en una variación de su energía cinética y/o su energía potencial.

Ejemplo:

Un automóvil viaja a 30 km/h subiendo por una pendiente recta de 30°. El conductor acelera y en 5 segundos dobla su velocidad. Calcular el trabajo realizado si la masa total del vehículo es de 900 kg.

Solución:

Aplicaremos la fórmula:

W = Ec + Ep

La variación de E c habrá sido:

Sustituyendo valores, con la velocidad expresada en m/s, será:

Para calcular la altura h que ha subido el coche en 5 s, calcularemos primero el espacio que ha recorrido. El movimiento del coche es uniformemente acelerado, por tanto:

siendo, a·t = v – v0.

Sustituyendo valores en esas fórmulas, tendremos:

Por trigonometría, la altura será:

h = e·sen 30

Sustituyendo valores:

h = 254,16·0,5 = 127,08 m

El incremento de E p será:

Ep = m.g. h

Ep = 900.9,8.127,08 = 1120845,6J

Por tanto, el trabajo realizado en esos 5 s por el motor del automóvil será la suma de los incrementos de la energía cinética y de la energía potencial del vehículo (más la energía disipada en forma de calor a causa de los rozamientos, que aquí no se tiene en cuenta):

W = 93750 + 1120845,6 = 1214595,6 julios

Noria

Este antiguo ingenio debe su nombre a los árabes, quienes la inventaron, y significa rueda hidráulica. La noria es una máquina que cuenta con dos grandes ruedas giratorias, una horizontal movida por una palanca que es tirada habitualmente por una caballería, y otra vertical, cuyos engranajes se unen a los de la primera para así ser puesta en movimiento y para posibilitar que los arcaduces destinados a recoger agua cumplan esta función.