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Principio de Conservación de la Energía
Energía
La energía es una propiedad que está relacionada con los cambios o procesos de transformación
en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. La forma de
energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su
transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo.
Ambos conceptos permiten estudiar el
movimiento de los cuerpos de forma más
sencilla que usando términos de fuerza y
constituyen, por ello, elementos clave en
la descripción de los sistemas físicos.
El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámica como
teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición
y velocidad. Es posible, no obstante, describir la condición de un cuerpo en movimiento
introduciendo una nueva magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante
el concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una etapa avanzada
del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de una forma por lo general más
simple.
En el lenguaje ordinario energía es sinónimo de fuerza; en el lenguaje científico, aunque están
relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes. Algo semejante
sucede con el concepto de trabajo, que en el lenguaje científico tiene un significado mucho más
preciso que en el lenguaje corriente.
El movimiento, el equilibrio y sus
relaciones con las fuerzas y con
la energía, define un amplio
campo de estudio que se conoce
con el nombre de mecánica.
La mecánica engloba la cinemática o descripción del movimiento, la estática o estudio del
equilibrio y la dinámica o explicación del movimiento. El enfoque en términos de trabajo y energía
viene a cerrar, pues, una visión de conjunto de la mecánica como parte fundamental de la física.
El término energía es probablemente una de las palabras propias de la física que más se
nombra en las sociedades industrializadas. La crisis de la energía, el costo de la energía, el
aprovechamiento de la energía, son expresiones presentes habitualmente en los diferentes
medios de comunicación social. ¿Pero qué es la energía?
La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas
materiales. La naturaleza es esencialmente dinámica, es decir, está sujeta a cambios: cambios
de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado físico, por
ejemplo. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios materiales y que indefectiblemente
los acompaña; ese algo constituye lo que se entiende por energía.
La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual
éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros
originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o
biológico sería posible. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados
con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe.
Un embalse no sólo es un depósito de agua
útil para el riego, la alimentación, los
servicios, etc., sino que también es un
depósito de energía. El agua, al descender
hasta el nivel del río, cede su energía
potencial, que se transforma finalmente en
energía eléctrica. Ésta es una forma barata
de almacenar energía. Constituye el
fundamento de la producción de energía
hidroeléctrica.
En las horas en que baja el consumo de energía eléctrica (horas valle), algunas centrales utilizan la
propia energía que generan en bombear de nuevo agua del rio al embalse, va que no es rentable
pararlas
La locomotora eléctrica, cuando se
desplaza, posee una energía
cinética tanto mas elevada cuanto
mayor sea la velocidad y la masa que
arrastre. Esta energía cinética la ha
adquirido consumiendo en sus
motores energía eléctrica, que ha
sido transportada de la central a
través del tendido eléctrico.
No todas las líneas ferroviarias están electrificadas. En las líneas no electrificadas suelen utilizarse
locomotoras diesel. El metro es un tren eléctrico.
Las energías potencial y cinética constituyen en conjunto la energía mecánica.
La resolución de problemas numéricos de Dinámica puede plantear dificultades al intentar aplicar
las leyes o principios de Newton. Estas dificultades disminuyen utilizando el concepto de energía y
las relaciones entre los distintos tipos de energía.
Físicamente el resultado es el mismo, porque las relaciones de la energía cinética y la energía
potencial se obtienen a partir de las leyes de Newton. Pero la capacidad de cálculo a través de la
magnitud energía es mucho mayor.
El concepto de energía puede aplicarse en la resolución de diferentes problemas numéricos,
como, por ejemplo:
cuando el sistema de fuerzas sea complicado y la aplicación directa de los
principios de Newton ofrezca dificultades.
cuando todas o algunas de las fuerzas no se conozcan.
Si trataras de resolver este problema con los conocimientos adquiridos hasta ahora
encontrarías dificultades, porque el niño se mueve primero en un plano inclinado, luego en otro
horizontal y de nuevo en otro inclinado con distinto ángulo de inclinación, y las fuerzas F que
actúan varían en cada caso.
La energía potencial de un sistema material procede de un trabajo que se ha realizado sobre él.
Energía potencial es la que poseen los cuerpos en virtud de la posición que ocupan.
La energía que poseen los cuerpos a causa de su movimiento se llama energía
cinética.
Si sobre un sistema no actúan fuerzas exteriores, su energía permanece constante.
(Principio de conservación de la energía)
El trabajo que se realiza sobre un sistema sirve para modificar la energía cinética y
potencial de dicho sistema.
Esquema de Contenidos
Así, por ejemplo, un cuerpo colocado a una determinada altura
dentro del campo gravitatorio terrestre tiene una energía
potencial (energía potencial gravitatoria) debida a la gravedad;
un cuerpo colgado colocado en un campo eléctrico tiene una
energía potencial debida a las fuerzas eléctricas que actúan
sobre él (energía potencial eléctrica); un resorte comprimido
tiene una energía potencial del da a la fuerza recuperadora que
tiende a devolverlo a su forma normal (energía potencial
elástica), etc.
Energía Potencial Concepto y tipos
Se llama energía potencial la energía que tiene un cuerpo
que es situado en un campo de fuerzas, en virtud de la
posición que ocupa dicho campo.
Energía Potencial Gravitatoria
Cuando un cuerpo de masa que estaba inicialmente en el suelo levantamos hasta una altura h,
estamos realizando un trabajo. levantamos el cuerpo verticalmente y despreciamos la resisten del
aire, el valor de este trabajo vendrá dado por:
La energía potencial gravitatoria es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo, en
virtud de la posición que ocupa dentro campo gravitatorio.
mghhPsFW coscos21
El trabajo que hemos realizado no se ha perdido; al contrario, cuerpo ha adquirido una energía
potencial numéricamente igual trabajo que ha sido necesario para desplazarlo. La energía
potencial gravitatoria que tiene un cuerpo de masa m que se encuentra reposo y situado a una
altura h sobre el nivel del suelo, viene dada por la siguiente fórmula…
Cuando el cuerpo caiga del punto 2 al 1, perderá su energía potencial y realizará un trabajo.
cumpliéndose que:
mghE potencial 221 pEW y
La diferencia entre 1 y 2 es que el primero ha de ser realizado en contra del campo, y el segundo lo
realiza el campo gravitatorio. Se consideran de distinto signo.
Al calcular la energía potencial de un cuerpo, siempre es necesario definir cuál es el sistema de
referencia que se está considerando.( convenio, la energía potencial de un cuerpo se calcula con
respeto al nivel más bajo que el cuerpo puede alcanzar en el problema concreto que se está
estudiando).
Si queremos calcular el aumento de energía potencial experimentado por un cuerpo cuando dicho
cuerpo se sube desde el punto 1 ha el punto 2, este aumento vendrá dado por:
2112 mghmghEEE ppp
donde h = h2 - h1, siendo h1 y h2 las alturas que ocupa el cuerpo los puntos 1 y 2.
211212 WWEE pp
Es la energía que posee un muelle y por la cual puede realizar un trabajo, depende de una
constante característica de cada muelle y del su desplazamiento.
2
2
1KxE potencial
Supongamos que sobre un cuerpo de masa m, inicialmente en reposo, actúa una fuerza F, de tal
manera que el cuerpo comienza moverse. Cuando el cuerpo haya recorrido una distancia s, ha
adquirido una velocidad.
Sobre este cuerpo se ha realizado un trabajo y, como consecuencia de ello, el cuerpo ha adquirido
una energía cinética. Si prescindimos del rozamiento, la energía cinética adquirida por el cuerpo es
igual trabajo que se ha realizado sobre él.
Todos los cuerpos que no están en reposo poseen una cantidad E energía debida a su movimiento.
Esta energía se conoce como energía cinética.
Se llama energía cinética la capacidad de realizar trabajo que tiene cuerpo en movimiento, en
virtud de la velocidad de dicho cuerpo.
Energía cinética = Trabajo realizado
Energía Cinética.
Calcularemos el valor de esta energía suponiendo que la fuerza F que actúa sobre el cuerpo
es constante, tanto en módulo como en dirección y sentido, siendo la dirección de dicha
fuerza la misma que dirección en la que se mueve el cuerpo. Según esto, el trabajo realizado
por esta fuerza será:
22
212
1
2cos mvs
s
vmsamsFW
Es decir, la energía cinética que adquiere un cuerpo que se encuentra en reposo, cuando se
efectúa un trabajo W sobre él, es igual a la mitad del producto de la masa de dicho cuerpo por el
módulo de la velocidad que adquiere dicho cuerpo elevada al cuadrado.
2
2
1mvEcinética
Cuando un cuerpo aumenta su velocidad, aumenta también su energía cinética, mientras que,
cuando un cuerpo disminuye su velocidad, disminuye su energía cinética.
En el primer caso, para conseguir un aumento de energía cinética habrá sido necesario efectuar
un trabajo sobre el cuerpo, mientras que en el segundo, la disminución de energía cinética se
produce porque el cuerpo ha realizado un trabajo igual a la pérdida de energía cinética que ha
experimentado.
Matemáticamente, esto se expresa así:
inicialEfinalEW cc
Si la velocidad de un cuerpo se duplica, la energía cinética de dicho cuerpo se hace cuatro
veces mayor.
Cuando la energía cinética final es mayor que la energía cinética inicial, se está realizando un
trabajo sobre el cuerpo. Por el contrario, cuando la energía cinética final es menor que la energía
cinética( inicial, es el cuerpo el que está realizando el trabajo.
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