2. Energía mecánica
En el ámbito de la física, debe
suministrarse energía para realizar
trabajo, por lo tanto si realizamos trabajo
sobre algún objeto, le hemos añadido
una cantidad de energía igual al trabajo
realizado. Todo lo que nos rodea es
energía en distintas formas, pero la suma
de todas ellas es siempre una constante.
Por ahora vamos a estudiar la energía
relacionada con la mecánica.
3. Energía Cinética
Energía Cinética: Es la energía que presenta un cuerpo en virtud de su
movimiento (traslación, vibración y rotación) . Su expresión es:
donde 𝑬𝒄 es la energía cinética, 𝒎 la masa del cuerpo, 𝒗 la velocidad. En el
sistema internacional de medidas la energía se mide en Joule, el cual se define
como:
1 Joule = N· m
Comentario: Todas las energías al igual que el trabajo se pueden medir en
calorías, aunque no es típico, ni tampoco es unidad del Sistema Internacional.
1 calorías = 4,18 Joule
4. Energía Cinética - Deducción de la ecuación
Supongamos un cuerpo que parte del reposo y que después de
recorrer un desplazamiento 𝚫𝒙 , adquiere una velocidad 𝒗 ,
entonces si calculamos el trabajo efectuado por esa fuerza
tendremos:
5. Energía Potencial
Energía potencial gravitatoria: Es la energía que presenta un cuerpo en
virtud de su posición. Esta energía solo está presente en campos de fuerza
conservativas (el trabajo en una trayectoria cerrada es nula y el trabajo
realizado entre dos puntos es independiente de la trayectoria). Su
expresión es la siguiente:
donde Ep es la energía potencial, m la masa y h la altura del cuerpo.
Sin embargo, esta ecuación es válida sólo cuando se está cerca de
la superficie de la tierra, por que en realidad la energía potencial
esta fundamentada en la ley de Gravitación de Newton y tiene la
siguiente forma:
6. Energía potencial elástica
Es la energía debido a la deformación de
un cuerpo elástico respecto a su posición
de equilibrio. Una masa se encuentra unida
a un resorte. (a) En un primer momento, la
masa está en reposo y el resorte se
encuentra en equilibrio, es decir, no está ni
estirado ni comprimido. (b) Debido a la
acción de un agente externo que ha
realizado trabajo sobre el sistema, la masa
se ha desplazado una distancia 𝚫𝒙 y el
resorte se ha comprimido en la misma
cantidad.
7. Energía potencial elástica
La energía potencial elástica se mide como todas las energías
en Joule en el Sistema Internacional de Medidas, y la expresión
que permite su cálculo es:
Donde 𝒌 es la constante de Hook y que depende del material,
y 𝚫𝒙, el desplazamiento, desde su posición de equilibrio.
8. Trabajo y Energía
Cuando tenemos un automóvil y este quiere aumentar su
velocidad de 20 𝑚/𝑠 a 40 𝑚/𝑠, es necesario aplicar una fuerza
para ello, entonces decimos que esa fuerza realiza un trabajo
mecánico, por lo que la energía cinética del cuerpo varía.
9. Trabajo y Energía Potencial
Cuando tenemos un cuerpo en una altura 𝒚𝒂,
entonces tiene una energía potencial inicial
igual a 𝒎𝒈𝒚𝒂 si ese cuerpo se suelta, entonces
la fuerza peso hará un trabajo positivo para
llevar a un lugar donde tendrá una energía
potencial final.
10. Aplicación de la conservación de la energía
La conservación de la energía
mecánica, es una de las ideas más
bellas y simple de la mecánica, pues la
capacidad que tiene de aplicarse a la
resolución de problemas y la vida diaria
es de gran alcance. Esta idea sólo se
aplica si la energía mecánica la
consideramos constante, o sea que en
la situación problemática no hay fuerzas
disipativas, como el roce por ejemplo,
por lo tanto, la energía mecánica
permanece constante, simplemente
hay trasformaciones, pero la suma es
siempre la misma.
15. Ejercicios resueltos
Un bloque de 𝟏 𝒌𝒈 baja por la pendiente, como indica la Figura partiendo con
una velocidad de 𝟒 𝒎/𝒔 desde una altura de 𝟓 𝒎. En el otro extremo choca con
un resorte, cuya constante elástica es 𝒌 = 𝟏𝟎𝟎 𝑵/𝒎. Considera que solo hay roce
en el tramo AB y la fuerza de roce cinético tiene un módulo de 𝟏, 𝟗𝟔 𝑵.
(a) ¿Cuál es el valor del coeficiente de roce cinético con el piso en el tramo AB?
(b) ¿Cuál es la compresión máxima del resorte?
(c) ¿Qué altura alcanza el bloque cuando regresa hacia su posición inicial,
después de ser impulsado por el resorte?
16.
17. Fuentes
¿Qué es la energía?
https://youtu.be/t8Iq16EiPhY
Conservación de la Energía. Galileo
https://youtu.be/XvCoCxpbwaM
