Guia de Aprendizaje Física energia 3 medio

COLEGIO ANTIL MAWIDA
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BASICAS
PROFESOR: GINA TELLO DÍAZ
NIVEL: NM3
Guía de Aprendizaje
Trabajo y energía
ENERGÍA
La energía no es un concepto fácil de definir; sin embargo observamos sus efectos cuando algo
ésta sucediendo: cuando se transfiere energía de un lugar a otro o cuando se transforma.
La energía es uno de los conceptos fundamentales de la ciencia, ya que se encuentra presente en
casi todos los fenómenos naturales. Por ejemplo: el Sol nos entrega luz y calor que corresponden a
diferentes tipos de energía.
Como se puede apreciar, la energía se manifiesta de diferentes formas, entre otras podemos
mencionar:

Energía Hidráulica: Es aquella que se manifiesta a partir del movimiento de un
fluido, como por ejemplo el movimiento del agua en una central hidroeléctrica.

Energía Térmica o energía Interna: Está relacionada principalmente con el
movimiento de los átomos y moléculas de un cuerpo. Corresponde a la energía
cinética de estas partículas. Estos movimientos pueden ser vibraciones,
rotaciones o desplazamientos.
Mientras mayor es la temperatura de un cuerpo, más intenso será el movimiento
de sus átomos y moléculas. Mayor será, entonces, su energía interna.

Energía Química: Es aquella que está presente en las reacciones químicas entre
dos o más elementos. Como por ejemplo la reacción entre el zinc y el carbono en
el interior de una pila.

Energía eléctrica: Es aquella que se manifiesta por el movimiento de electrones a
través de un conductor. Por ejemplo la energía que permite el funcionamiento de
nuestros electrodomésticos.

Energía Potencial Gravitatoria: Es aquella que experimentan los
cuerpos sometidos a la acción de la gravedad y que depende de su
posición en el espacio. Por ejemplo la esfera que sostiene la grúa se
encuentra a cierta altura respecto al piso, mientras mayor es su altura,
mayor será su energía potencial gravitatoria.

Energía Potencial Elástica: Es debida a la deformación que puede
experimentar un cuerpo elástico cuando aplicamos sobre él una fuerza.
Por ejemplo un resorte al comprimirse o estirarse.

Energía Cinética: Es aquella que experimentan los cuerpos que se
encuentran en movimiento y depende de su velocidad. Por ejemplo un
ciclista experimenta mayor energía cinética, mientras mayor sea su velocidad.

Energía Mecánica: Corresponde a la suma de la energía potencial y
cinética. Por ejemplo al soltar un ladrillo, durante su caída posee energía
cinética debido a su movimiento y además energía potencial gravitatoria, ya
que se encuentra a cierta altura.
Trasformación y ley de conservación de la energía
El estudio de las diversas formas de energía y de sus transformaciones condujo a una de las
mayores generalizaciones de la física, conocida como ley de conservación de la energía.
“La energía no se crea ni se destruye, sólo se puede trasformar de una forma en otra, pero
la cantidad total de energía no cambia”
En cualquier sistema considerado en su totalidad, ya sea tan simple cómo un péndulo que se
balancea o tan complejo como una galaxia que explota, hay una cantidad de energía que no
cambia. La energía puede cambiar de forma o trasferirse de un lugar a otro, pero el balance total
permanecerá constante.
Por ejemplo: La energía presente en el movimiento de una rueda a lo largo de un plano inclinado.
Consideraremos este movimiento ideal, es decir, sin roce.
En la figura, la energía potencial gravitatoria de la rueda es máxima, ya que la altura (H) a la cual
se encuentra posee su mayor valor, mientras que su energía cinética es igual a cero, porque la
rueda se encuentra en reposo, por lo tanto la energía mecánica es igual a la energía potencial en
ese punto. (Ver figura 3.0)
Figura 3.0.
Cuando la rueda desciende a lo largo del plano inclinado, su energía potencial gravitatoria
disminuye, mientras que su energía cinética aumenta, ya que la rueda sale del reposo aumentando
su velocidad mientras desciende, por lo tanto la energía mecánica es igual a la suma de ambas
energías. (Ver figura 3.1)
Figura 3.1.
Cuando la rueda llega a un nivel en que su altura es cero, su energía potencial gravitatoria es nula,
mientras que su energía cinética ha alcanzado su valor máximo, por lo tanto la energía mecánica
es igual a la energía cinética en ese punto. (Ver figura 3.2)
Figura 3.2.
Nótese que la energía mecánica en un sistema sin roce, siempre se conserva, es decir, su valor es
el mismo en cualquier punto de su trayectoria. En este ejemplo cuando la energía potencial
gravitatoria disminuye, la energía cinética aumenta, pero la suma de ambas siempre será igual a la
energía mecánica.
Para profundizar en el estudio de la energía mecánica y sus manifestaciones veremos un concepto
afín: Trabajo mecánico.
Trabajo mecánico
La variación de energía, cuando es efectuado por fuerzas conservativas, es igual al trabajo
mecánico realizado por dichas fuerzas.
El trabajo mecánico relaciona la fuerza, el desplazamiento y el ángulo formado entre ellos; cuando
la fuerza se mide en Newton y el desplazamiento en metros, entonces el trabajo se expresa en
Joule. (Ver figura 3.3)
Figura 3.3. Si la fuerza aplicada sobre el objeto provoca un desplazamiento, entonces se ha
realizado trabajo mecánico.
El trabajo puede ser positivo, negativo o nulo.

Si la fuerza se aplica en dirección perpendicular al desplazamiento, el trabajo es nulo. (Ver
figura 3.4)
Figura 3.4.
Si la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección y sentido, el trabajo es positivo. (Ver
figura 3.5)
Figura 3.5.

Si la fuerza y el desplazamiento tienen igual dirección y distinto sentido, el trabajo es negativo.
(Ver figura 3.6)
Figura 3.6.
Otros casos donde el trabajo es nulo son:

Cuando un cuerpo no se desplaza, a pesar que se aplique una fuerza sobre él, Por ejemplo:
cuando una persona empuja una pared. (Ver figura 3.7)
Figura 3.7.

Cuando un cuerpo recorre
una distancia debido a la
aplicación de una fuerza, pero su desplazamiento es cero, el trabajo mecánico es nulo. Por
ejemplo, en la figura, el caballo tira del arado ejerciendo una fuerza en dirección horizontal, sin
embargo el trabajo realizado por este es nulo debido a que el desplazamiento es cero, por
tratarse de una trayectoria circular. (ver figura 3.8.)
Figura 3.8.
Extracto de Manual de física para profesores de tecnología, seminario para obtención de título de profesor de Física. (
Claudia Díaz, Ana Vergara, Manuel Leiva, Luis Henríquez y Gina Tello.
Energía mecánica
-
Energía cinética: Un cuerpo que se desplaza con cierta velocidad, lleva consigo una cierta
energía denominada cinética, esta es proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad.
Se puede calcular utilizando la siguiente expresión:
Ec 
1 2
mv
2
E c es la energía cinética expresada en Joule (J),m es la masa en kilogramos (kg),v es la
velocidad expresada en (m/s)
-
Energía cinética de rotación: La energía cinética estudiada hasta el momento, se refiere
siempre a una traslación. Pero ¿qué ocurre con los cuerpos que aparte de trasladarse,
rotan, como la Tierra?.
También tienen una energía de cinética asociada a su giro llamada energía cinética de
rotación ( E r ) y esta definida:
Er 
1 2
I
2
Donde I es el momento de inercia y ω es la velocidad angular.
No es necesario que un cuerpo se traslade para tener energía cinética.
Energía potencial: La energía potencial de un cuerpo depende de su posición dentro de
un campo de fuerzas. Existen varias formas de energía potencial.
Tipo de Energía
Energía
Descripción
Energía potencial gravitatoria
Energía que tiene cualquier objeto ubicado a
cierta altura por efecto de la atracción
terrestre.
Energía potencial elástica
Energía que adquieren los cuerpos que se
deforman, como un resorte, u elástico o un
amortiguador
Energía potencial magnética
Energía que adquiere un cuerpo que es
atraído por un imán
Energía potencial eléctrica
Energía que adquiere una carga eléctrica en
presencia de otra.
-
-
Energía potencial gravitatoria: La fuerza de gravedad actúa entre objetos que tienen
masa. Esta fuerza es responsable de que la Tierra atraiga los cuerpos hacia su superficie,
reteniéndolos allí; mantiene a los planetas en órbita alrededor del Sol, y al Sol alrededor
del centro de la galaxia.
El valor de la energía potencial gravitatoria depende del punto de referencia. Por ejemplo:
podemos decir que la energía de una paloma posada en el techo de una iglesia tiene un
valor positivo respecto del suelo y es cero respecto del nivel del techo. Ambas afirmaciones
son correctas, si se especifica el sistema de referencia.
La energía potencial que posee un objeto que se encuentra a cierta altura debe ser igual al
trabajo mínimo realizado contra la fuerza de gravedad para levantarlo.
W  m g h
Como este trabajo corresponde a la energía potencial gravitatoria de cuerpo, tenemos que:
Ep  m  g  h
Donde
E p es la energía potencial gravitatoria expresada en Joule(J), m es la masa del
2
cuerpo en (kg); g es la gravedad terrestre (10 m/s ) y h es la altura que alcanza el cuerpo,
respecto a un sistema de referencia, expresada en (m).
-
Energía mecánica: A la suma de las energías potencial y cinética se le llama energía
mecánica; esta se mantiene constante cuando actúan fuerzas conservativas.
Imagina que se lanza un objeto verticalmente hacia arriba: mientra sube gana energía
potencial y pierde energía cinética, esto ocurre hasta que el objeto se detiene, en ese
momento su energía cinética es cero y su energía potencial es máxima. Cuando comienza
a caer aumenta su energía cinética y disminuye su energía potencial, de tal manera que al
volver a su punto inicial, su velocidad (y por tanto su energía cinética) es la misma que al
comienzo. Este análisis supone que no actúa la fuera de roce y que la masa del cuerpo no
varía.
Una expresión para la energía mecánica de un cuerpo es la siguiente:
E  E p  Ec
1
E  m  g  h  m  v2
2
Conservación de la energía mecánica
La energía mecánica de un cuerpo en movimiento no cambia si sobre él actúan fuerzas
conservativas.
La expresión que representa la ley de conservación de la energía mecánica es:
m  g  hi 
1
1
m  vi2  m  g  h f  m  v 2f
2
2