Un muelle comprimido posee
Supongamos que tomamos un muelle y lo comprimimos en una pinza. Existe una energía potencial debida a la compresión del muelle. Ahora se coloca en un baño de ácido que disolverá el muelle pero no la pinza. ¿Qué ocurre con la energía potencial?
En una situación realista, uno de los puntos (débiles) del muelle podría romperse, por lo que se saldría de la abrazadera y perdería la energía de esa manera. Pero en el escenario ideal en el que se disuelve a un ritmo uniforme, esto no ocurriría, así que ¿qué ocurre en el instante en que se disuelve por completo?
Pensé que tal vez se produciría algún tipo de cambio de temperatura, debido a la suposición de que la compresión haría que los átomos estuvieran más compactados causando una repulsión. A medida que se eliminan las capas, esto disminuiría gradualmente, pero sigue habiendo un aumento inherente de energía para cada átomo, por lo que lo más probable es que se expulse como algo (como) calor.
Me interesa sobre todo el detalle de los mecanismos de transferencia de energía a nivel atómico, en contraposición a la imagen general. En concreto, la transferencia de repulsión coulombiana a calor en el ácido. Cuantos más detalles a bajo nivel, mejor.
¿Qué forma de energía potencial tiene el muelle estirado?
Como un muelle puede permanecer en estado comprimido o estirado durante largos periodos de tiempo sin disipar energía, la energía potencial elástica es fundamental para muchos dispositivos mecánicos,[3] como los amortiguadores de los coches.
Este potencial también puede utilizarse en sistemas de control o mecánicos para reducir el impacto de las perturbaciones, como en los vehículos de motor. En los vehículos, los amortiguadores pretenden reducir el impacto sobre los pasajeros absorbiendo las fuerzas causadas por la conducción en carreteras con baches. Otro uso de la energía potencial elástica en los vehículos es en los sistemas de frenado regenerativo, donde la energía almacenada se utiliza para dar al vehículo un pequeño impulso de potencia.
La deformación elástica es un tipo de deformación que se produce cuando la energía utilizada para cambiar la forma de un objeto se emite igualmente cuando se liberan las presiones y las fuerzas. Por ejemplo, cuando se tira de un muelle, éste vuelve a su forma original cuando se suelta (la entrada de energía es igual a la salida de energía).
La deformación plástica es el tipo de deformación que se produce cuando la energía utilizada para deformar un objeto no es igual a la salida de energía. El objeto no vuelve a su forma original. Por ejemplo, cuando dos coches chocan, gran parte de su energía cinética se transfiere a nuevas formas y se utiliza para cambiar permanentemente la forma de los coches[4].
Lo que crea la energía mecánica
Si comprimo un muelle metálico, lo ato con una atadura resistente al ácido y luego lo sumerjo en ácido y disuelvo el muelle, ¿qué ocurre con la energía que se utilizó para comprimirlo? Creo que el ácido debe calentarse, pero ¿cómo se convierte la energía almacenada en calor?
La solución ácida se calentará aunque el muelle no esté comprimido, debido al calor de la reacción a medida que el ácido disuelve el metal. Si el muelle está comprimido, se calentará un poco más. A medida que cada átomo o ion se libera de los cristales de metal, saldrá con una energía ligeramente mayor porque se está liberando de un estado energético ligeramente superior. Sin embargo, la cantidad de energía necesaria para comprimir el muelle es bastante pequeña, por lo que la diferencia de temperatura sería difícil de detectar.
Cuando se comprime un muelle, la energía potencial se almacena en los enlaces mecánicos entre los átomos, que se pueden considerar como pequeños muelles. El muelle en su conjunto no puede descomprimirse -hasta que se rompa-, pero los pequeños trozos pueden descomprimirse al desprenderse.
La mayor parte de la energía almacenada se destina a descomprimir cada pequeña parte. No es 100% eficiente, por lo que los fragmentos se calientan un poco por la fricción. Los fragmentos también agitan ligeramente el ácido al desprenderse. Aquí es donde va la energía del resorte. Pero la agitación es una forma terrible de calentar un líquido: prueba a agitar un vaso de agua con una cuchara.
Energía almacenada en la fórmula de un muelle comprimido
Dado que un muelle puede permanecer en estado comprimido o estirado durante largos periodos de tiempo sin disipar energía, la energía potencial elástica es fundamental para muchos dispositivos mecánicos,[3] como los amortiguadores de los coches.
Este potencial también puede utilizarse en sistemas de control o mecánicos para reducir el impacto de las perturbaciones, como en los vehículos de motor. En los vehículos, los amortiguadores pretenden reducir el impacto sobre los pasajeros absorbiendo las fuerzas causadas por la conducción en carreteras con baches. Otro uso de la energía potencial elástica en los vehículos es en los sistemas de frenado regenerativo, donde la energía almacenada se utiliza para dar al vehículo un pequeño impulso de potencia.
La deformación elástica es un tipo de deformación que se produce cuando la energía utilizada para cambiar la forma de un objeto se emite igualmente cuando se liberan las presiones y las fuerzas. Por ejemplo, cuando se tira de un muelle, éste vuelve a su forma original cuando se suelta (la entrada de energía es igual a la salida de energía).
La deformación plástica es el tipo de deformación que se produce cuando la energía utilizada para deformar un objeto no es igual a la salida de energía. El objeto no vuelve a su forma original. Por ejemplo, cuando dos coches chocan, gran parte de su energía cinética se transfiere a nuevas formas y se utiliza para cambiar permanentemente la forma de los coches[4].