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Energía mecánica

Contenido del artículo
Descripción
Evaluación cuantitativa de la energía mecánica
Energía cinética
Energía potencial

Los hombres, desde siempre, supieron que un objeto pesado lanzado contra una presa le producía graves lesiones o podía romper la coraza de una fruta dura. Otra situación que podía notarse es que, por ejemplo, la luz procedente del sol calentaba los objetos lo mismo que el contacto o la cercanía de un fuego. El calor que había recibido el cuerpo, al mismo tiempo, podía "moverse" a otro cuerpo en contacto. Otras muchas experiencias daban la noción de que había "algo" que entraba y salía de los cuerpos bajo ciertas circunstancias, e incluso que estos cuerpos podían almacenar cierta cantidad, la que luego se podía transferir a otro por diferentes vías. Era evidente que cuando un objeto estaba "cargado" de ese "algo" podía hacer ciertos trabajos.

Con el desarrollo del pensamiento y por un análisis mas detallado de las situaciones en las que estaba involucrado, a ese "algo" se le llamó energía. La energía es una de las magnitudes físicas mas intuitivas y todos tenemos una idea de lo que significa.
Existen muchas formas de manifestarse la energía y en este artículo veremos una descripción más o menos elemental de una de las mas simples, la energía mecánica. 

Descripción


Cuando cargamos un objeto pesado sabemos por experiencia que para hacerlo tenemos que realizar un determinado esfuerzo muscular a fin de sostenerlo a cierta altura, y sabemos además que si lo soltamos sin cuidado puede el objeto, de hecho, caernos en un pie y producir una lesión dolorosa. Intuitivamente nos damos cuenta de que el cuerpo suspendido tiene una cierta cantidad de energía "en potencia" que puede convertirse muy fácilmente en un movimiento, y que este movimiento también tiene la energía capaz de producir la lesión a la que nos referimos. Pues bien, del experimento se puede deducir cualitativamente que la energía contenida en el objeto suspendido y luego dejado caer (que llamaremos energía mecánica) se puede manifestar de dos maneras: como una energía potencial latente cuando el cuerpo está suspendido y no se mueve; y otra forma de la energía cuando se mueve que se llama energía cinética.

Lo mismo sucede para el caso de un tanque elevado lleno de agua y del cual sale un tubo provisto de una llave de paso. Cuando la llave está cerrada no hay movimiento del agua, toda su energía, debido a la altura, es energía potencial, está latente, esperando que abramos la llave para producir una corriente de agua en movimiento, y por tanto con cierta energía cinética capaz, por ejemplo, de mover un dispositivo de riego por aspersión.
 
Veamos ahora otra situación, supongamos que uno de los carros ha sido llevado por un sistema mecánico a su punto más alto en una montaña rusa, allí, el carro tiene su máxima energía potencial, cuando emprende la primera carrera de descenso va ganando velocidad y por tanto aumentando su energía cinética. Una vez llegado al punto mas bajo, tiene una gran velocidad y alta energía cinética, y puede, por tanto, iniciar la subida de la próxima cuesta, al hacerlo va perdiendo velocidad, pero ganando en altura, es decir su energía cinética se va transformando de nuevo en energía potencial hasta llegar a la nueva cima y repetir el proceso en todos los valles y crestas de la montaña rusa. Esto significa que ambas formas de energía mecánica son transformables mutuamente, tanto en una dirección como en la otra.

Las mediciones cuidadosas hechas por los hombres de ciencia a los largo de los años han demostrado, que cuando se considera el caso ideal de que el sistema no tiene pérdidas por resistencias externas que consuman parte de la energía contenida inicialmente, esta solo puede ser transformada de una forma a la otra indefinidamente manteniendo el total energético constante. Este principio se conoce como la Ley de la Conservación de la Energía Mecánica, y es uno de los preceptos físicos mas significativos e importantes, al permitir interpretar multitud de situaciones en muchos campos de la ciencia.

Matemáticamente el principio de la conservación de la energía podía formularse así:

E = Ep + Ec = K        (ecuación 1)

Es decir la energía total E, es la suma de la energía potencial, Ep y la energía cinética Ec , e igual a una constante K.

Evaluación cuantitativa de la energía mecánica

Sin entrar en complicadas deducciones matemáticas vamos a relacionar a continuación las expresiones que sirven para evaluar la magnitud de la energía mecánica en un sistema uni-dimensional:

Energía cinética

La energía cinética de un objeto en movimiento responde a la expresión:

energia cinética      (ecuación 2)


Donde v es la velocidad del objeto, y m su masa. Note que la unidad de la energía cinética es kg·m2 / sla que ha recibido el nombre particular de joule en honor a James Joule que hizo importantes trabajos en este campo.

Energía potencial

La energía potencial dependerá del sistema en cuestión y tiene varias expresiones de cálculo de acuerdo a esto:

Aplicación a la gravedad

Para un cuerpo suspendido a un altura y, de la superficie de la Tierra y bajo la acción de la gravedad; considerando la altura de la superficie como y = 0,  adquiere la forma:

Ep = mgy        (ecuación 3)   

Donde: m es la masa del cuerpo; y g es la aceleración de la gravedad.

Un análisis dimensional simple le dirá que la energía potencial también se expresa en joules. En la práctica la magnitud y generalmente es la altura del objeto medida desde el suelo (h), de modo que la energía potencial debido a la gravedad también puede expresarse como;

Ep = mgh

Aplicación a un resorte

Energía mecánica
Figura 1

Veamos el caso ideal de una masa m solidaria al extremo de un resorte horizontal donde no hay influencia de la gravedad, como se muestra en la figura 1.

Originalmente el muelle está en reposo, y el sistema está en equilibrio, si utilizamos una fuerza externa y estiramos o comprimimos el resorte, en este se acumula cierta cantidad de energía potencial, si llamamos x a la distancia recorrida por la masa, en la posición de estirado o comprimido el valor de x será máximo pero su velocidad será cero. Si en ese instante lo soltamos, la fuerza del resorte mueve la masa buscando de nuevo la posición de equilibrio, la velocidad de la masa comenzará a crecer y por lo tanto aumenta su energía cinética. Como sabemos que la energía total se conserva, el incremento de la energía cinética se hace a expensas de la disminución de la energía potencial inicial.

Al pasar por la posición de equilibrio, la masa tendrá una alta energía cinética y prosigue su camino al lado contrario, ahora la fuerza del resorte se opone al movimiento y la masa comienza a bajar de velocidad, la energía cinética baja y se recupera la potencial. La masa se detiene de nuevo en la posición -x, toda la energía es ahora de nuevo potencial y la cinética es cero. Este proceso se repite como un movimiento oscilatorio armónico con una constante transformación de la energía entre uno y otro tipo.

Para simplificar las situaciones donde se utilizan resortes, siempre se consideran estos sin masa, y se asume que la fuerza ejercida por el resorte es proporcional al valor de x, lo que no se aparta mucho de la realidad.

Esta proporcionalidad se puede expresa como:

F = kx         (ecuación 4)

Donde k es la constante del resorte y depende se su geometría y dimensiones.

La expresión de la energía potencial de un resorte es entonces:

energía potencial         (ecuación 5) 

Ya hemos dicho arriba que la energía puede manifestarse de diversas formas, entre estas están: la energía calórica contenida en un cuerpo caliente; la energía química presente en los enlaces químicos de las sustancias, como por ejemplo, la que se libera como radiaciones elecromagnéticas (básicamente calor y luz) durante la combustión al romperse ciertos enlaces de mayor energía y formarse otros de menor energía liberando la diferencia; y la energía eléctrica que puede estar contenida en un acumulador o una pila.

La energía nuclear aquí.



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