VOLVER A LOS ARTÍCULOSEnergía 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.
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.
La energía cinética se mide en joule (J) y puede representarse de la siguiente forma:
Donde:
m = masa (en kg).
v = velocidad (m/s).
Ejemplo práctico
- 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:
- ¿Cuál es la masa de un cuerpo si su energía cinética es de 250 J y se desplaza a 5 m/s?
Solución:
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:
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.
| 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.
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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
- 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:
- 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.
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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).
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.
