Fórmula de la energía cinética
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Supongamos que sobre un cuerpo actúa una fuerza F que hace que se mueva en una dirección determinada. Entonces el trabajo realizado por la fuerza es la componente de F en la dirección del movimiento × la distancia que el cuerpo se mueve como resultado. El trabajo realizado se mide en julios (que tiene el símbolo J).
Supongamos ahora que esta fuerza forma un ángulo a con la horizontal. Si el cuerpo se mueve una distancia de s metros a lo largo del suelo, el trabajo realizado es F cosa × s (ya que F cosa es la componente de la fuerza en la dirección del movimiento).
Supongamos ahora que la fuerza que consideramos es la que hace que un cuerpo se levante del suelo. Llamamos al trabajo realizado por la fuerza “trabajo contra la gravedad”. Es igual a mgs julios, donde s es la distancia vertical recorrida por el cuerpo, m es la masa del cuerpo y g es la aceleración debida a la gravedad. [Compárese con la “energía potencial gravitatoria” más adelante].
En otras palabras, el trabajo realizado es igual al cambio de energía. Por ejemplo, el trabajo realizado contra la gravedad es igual al cambio en la energía potencial del cuerpo y el trabajo realizado contra todas las fuerzas resistivas es igual al cambio en la energía total.
Unidad de energía mecánica
[BL][OL] Comienza por distinguir la energía mecánica de otras formas de energía. Explica cómo la definición general de energía como la capacidad de realizar un trabajo tiene perfecto sentido en términos de cualquiera de las formas de energía mecánica. Discutir la ley de conservación de la energía y disipar cualquier concepto erróneo relacionado con esta ley, como la idea de que los objetos en movimiento se ralentizan de forma natural. Identifique el calor generado por la fricción como la explicación habitual de las aparentes violaciones de la ley.
[Inicie un debate sobre cómo otras formas útiles de energía también terminan como calor desperdiciado, como la luz, el sonido y la electricidad. Intente que los alumnos comprendan el calor y la temperatura a nivel molecular. Explique que la energía que se pierde por el rozamiento es en realidad la transformación de la energía cinética a nivel macroscópico en energía cinética a nivel atómico.
Energía mecánica y conservación de la energíaAntes vimos que la energía mecánica puede ser potencial o cinética. En esta sección veremos cómo se transforma la energía de una de estas formas a la otra. También veremos que, en un sistema cerrado, la suma de estas formas de energía permanece constante.
La energía mecánica es potencial o cinética
En esta sección, elaboramos y ampliamos el resultado que derivamos en Energía potencial de un sistema, donde reescribimos el teorema trabajo-energía en términos del cambio en las energías cinética y potencial de una partícula. Esto nos llevará a una discusión del importante principio de la conservación de la energía mecánica. A medida que continúe examinando otros temas de la física, en capítulos posteriores de este libro, verá cómo esta ley de conservación se generaliza para abarcar otros tipos de energía y transferencias de energía. La última sección de este capítulo ofrece un adelanto.
Los términos “cantidad conservada” y “ley de conservación” tienen significados específicos y científicos en física, que son diferentes de los significados cotidianos asociados al uso de estas palabras. (Lo mismo ocurre con los usos científicos y cotidianos de la palabra “trabajo”). En el uso cotidiano, se puede conservar el agua no usándola, o usando menos cantidad, o reutilizándola. El agua está compuesta por moléculas formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de oxígeno. Si se juntan estos átomos para formar una molécula, se crea agua; si se disocian los átomos de dicha molécula, se destruye el agua. Sin embargo, en el uso científico, una cantidad conservada para un sistema permanece constante, cambia en una cantidad definida que se transfiere a otros sistemas, y/o se convierte en otras formas de esa cantidad. Una cantidad conservada, en el sentido científico, puede transformarse, pero no crearse ni destruirse estrictamente. Por tanto, no existe una ley física de conservación del agua.
Cómo calcular la energía mecánica sin la velocidad
Energía cinéticaLos vagones de una montaña rusa alcanzan su máxima energía cinética cuando se encuentran en la parte inferior del recorrido. Cuando empiezan a subir, la energía cinética empieza a convertirse en energía potencial gravitatoria. La suma de la energía cinética y potencial del sistema se mantiene constante, sin tener en cuenta las pérdidas por rozamiento.Símbolos comunesKE, Ek o TSI unidadjulio (J)Derivaciones de otras magnitudesEk = 1/2mv2
Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta su velocidad establecida. Al haber ganado esta energía durante su aceleración, el cuerpo mantiene esta energía cinética a menos que su velocidad cambie. El cuerpo realiza la misma cantidad de trabajo al desacelerar desde su velocidad actual hasta un estado de reposo. Formalmente, una energía cinética es cualquier término del Lagrangiano de un sistema que incluye una derivada con respecto al tiempo. [2][3]
El adjetivo cinético tiene sus raíces en la palabra griega κίνησις kinesis, que significa “movimiento”. La dicotomía entre energía cinética y energía potencial se remonta a los conceptos de actualidad y potencialidad de Aristóteles[4].
