Cuándo no se conserva la energía mecánica
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Un ejemplo de sistema mecánico: Un satélite orbita alrededor de la Tierra influenciado únicamente por la fuerza gravitatoria conservativa; por tanto, su energía mecánica se conserva. 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.
Fórmula del principio de conservación de la energía mecánica
La fricción cinética, en cambio, es una fuerza no conservativa, porque actúa reduciendo la energía mecánica de un sistema. Obsérvese que las fuerzas no conservativas no siempre reducen la energía mecánica; una fuerza no conservativa cambia la energía mecánica, por lo que una fuerza que aumenta la energía mecánica total, como la fuerza proporcionada por un motor, también es una fuerza no conservativa.
Consideremos una persona en un trineo que se desliza por una colina de 100 m de longitud con una inclinación de 30º. La masa es de 20 kg, y la persona tiene una velocidad de 2 m/s cuesta abajo cuando está en la cima. ¿A qué velocidad se desplaza la persona en la parte inferior de la colina? Sólo tenemos que preocuparnos de la energía cinética y de la energía potencial gravitatoria; cuando las sumamos en la cima y en la base deberían ser iguales, porque la energía mecánica se conserva.
Ahora preocupémonos por la fricción en este problema. Digamos que, debido al rozamiento, la velocidad en la parte inferior de la colina es de 10 m/s. ¿Cuánto trabajo realiza el rozamiento y cuál es el coeficiente de rozamiento?
Ejemplos de conservación de la energía mecánica
La conservación de la energía mecánica establece que la energía mecánica de un sistema aislado permanece constante en el tiempo, siempre que el sistema esté libre de todas las fuerzas de fricción. En cualquier situación real, las fuerzas de fricción y otras fuerzas no conservativas están siempre presentes, pero en muchos casos sus efectos sobre el sistema son tan pequeños que el principio de conservación de la energía mecánica puede utilizarse como una aproximación justa. Un ejemplo de un sistema de este tipo se muestra en . Aunque la energía no puede crearse ni destruirse en un sistema aislado, puede convertirse internamente en cualquier otra forma de energía.
Un ejemplo de sistema mecánico: Un satélite orbita alrededor de la Tierra influenciado únicamente por la fuerza gravitatoria conservadora y, por tanto, la energía mecánica se conserva. La aceleración se representa con un vector de aceleración verde y la velocidad con un vector de velocidad rojo.
Tipos de energía
[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 mucho sentido en términos de cualquier forma 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.
