Ley de conservación de la energía
En artículos anteriores analizamos a fondo la energía cinética y todo lo relacionado con ella. En este caso, continuamos con la formación y pasamos a estudiar la energía mecánica. Este tipo de energía es la que se produce por el trabajo de un cuerpo. Puede ser transferida entre otros cuerpos. Se puede decir que es la suma de la energía cinética producida por el movimiento de los cuerpos, con la energía potencial elástica y/o gravitatoria. Esta energía se produce a través de la interacción de los cuerpos en relación con la posición que tiene cada uno.
Para facilitar la comprensión, pongamos un ejemplo. Pensemos en un objeto que es lanzado desde una distancia del suelo. Ese objeto llevará una energía cinética previa porque está en movimiento. Al avanzar, adquiere una velocidad y una energía potencial gravitatoria cuando se eleva sobre el nivel del suelo. Tomemos como ejemplo el lanzamiento de una pelota.
Teniendo en cuenta que nuestro brazo ejerce un trabajo sobre la pelota, le transfiere la energía cinética para que pueda moverse. En este ejemplo vamos a considerar despreciable la fuerza de rozamiento con el aire o de lo contrario dificultaría mucho los cálculos y el aprendizaje del concepto. Cuando la pelota ha sido lanzada y está en el aire, lleva la energía cinética que la impulsa a moverse y la energía potencial gravitatoria que la atrae hacia el suelo porque está elevada.
Energía de trabajo
Se estudia el efecto de la ubicación del objetivo, la velocidad y la lateralidad sobre la energía mecánica total media y la eficacia del movimiento en 15 sujetos sanos (7 hombres y 8 mujeres con una edad de 22,9 +/- 1,79 años) que realizan movimientos de alcance de cuerpo entero. La energía mecánica total media se mide como la media temporal de la integración de la potencia articular, la energía potencial y la energía cinética, respectivamente. La eficiencia del movimiento se calcula como la relación entre la energía cinética total y la energía articular total y la energía potencial. Los resultados muestran que la velocidad y la ubicación del objetivo tienen efectos significativos sobre la energía mecánica total y la eficiencia del movimiento, pero el alcance de la mano sólo afecta a la energía cinética. A partir de nuestros hallazgos concluimos que (1) la eficiencia en el alcance de cuerpo entero depende de si la altura del centro de masa del cuerpo se eleva o desciende durante la tarea; (2) la eficiencia se incrementa a medida que aumenta la velocidad de movimiento, en parte debido a los mayores cambios en la energía potencial; y (3) el SNC no parece utilizar la eficiencia del movimiento como una variable de planificación primaria en el alcance de cuerpo entero. Puede depender de una combinación de otros factores o limitaciones.
Energía térmica
Un ejemplo de sistema mecánico: Un satélite orbita alrededor de la Tierra influenciado únicamente por la fuerza gravitatoria conservadora; su energía mecánica se conserva, por tanto. La aceleración del satélite está representada por el vector verde y su velocidad por el vector rojo. Si la órbita del satélite es una elipse, la energía potencial del satélite y su energía cinética varían con el tiempo, pero su suma permanece constante.
En ciencias físicas, la energía mecánica es la suma de la energía potencial y la energía cinética. El principio de conservación de la energía mecánica establece que si un sistema aislado está sometido únicamente a fuerzas conservativas, la energía mecánica es constante. Si un objeto se mueve en la dirección opuesta a una fuerza neta conservativa, la energía potencial aumentará; y si la velocidad (no la rapidez) del objeto cambia, la energía cinética del objeto también cambia. En todos los sistemas reales, sin embargo, habrá fuerzas no conservativas, como las fuerzas de fricción, pero si son de magnitud despreciable, la energía mecánica cambia poco y su conservación es una aproximación útil. En las colisiones elásticas, la energía cinética se conserva, pero en las colisiones inelásticas parte de la energía mecánica puede convertirse en energía térmica. La equivalencia entre la pérdida de energía mecánica (disipación) y el aumento de la temperatura fue descubierta por James Prescott Joule.
Energía eléctrica
Todas las funciones corporales, desde pensar hasta levantar pesos, requieren energía. Las numerosas pequeñas acciones musculares que acompañan a toda actividad tranquila, desde dormir hasta rascarse la cabeza, se convierten en última instancia en energía térmica, al igual que las acciones musculares menos visibles del corazón, los pulmones y el tracto digestivo. El ritmo al que el cuerpo utiliza la energía de los alimentos para mantener la vida y realizar las diferentes actividades se denomina tasa metabólica. La tasa total de conversión de energía de una persona en reposo se denomina tasa metabólica basal (TMB) y se divide entre varios sistemas del cuerpo, como se muestra en la siguiente tabla:
La mayor fracción de energía se destina al hígado y al bazo, y el cerebro le sigue. Alrededor del 75% de las calorías quemadas en un día se destinan a estas funciones básicas. Un 25% de toda la energía metabólica basal que consume el cuerpo se utiliza para mantener los potenciales eléctricos en todas las células vivas. (Las células nerviosas utilizan este potencial eléctrico en los impulsos nerviosos). Esta energía bioeléctrica se convierte en última instancia en energía térmica, pero una parte se utiliza para alimentar procesos químicos, como en los riñones y el hígado, y en la producción de grasa. La TMB depende de la edad, el sexo, el peso corporal total y la cantidad de masa muscular (que quema más calorías que la grasa corporal). Los deportistas tienen una RMB mayor debido a este último factor. Por supuesto, durante el ejercicio vigoroso, el consumo de energía de los músculos esqueléticos y del corazón aumenta notablemente. El siguiente diagrama resume el funcionamiento energético básico del cuerpo humano.