Semana 13 Energía potencial y conservación de la energía

Semana 12
Trabajo, energía
Semana
13 y potencia
Energía potencial y conservación de la energía
¡Empecemos!
Ahora tenemos los saberes
necesarios para estudiar la
principal fuente de energía
en Venezuela: la energía hidráulica. La semana anterior
aclaramos lo referido a las
fuerzas que generan un trabajo y cualquier trabajo implica una variación de la energía
cinética, pero ¿en qué otras
formas de energía se puede
transformar?
Si, es verdad, recordemos que la energía no se crea ni se destruye, se transforma. Por lo tanto, al efectuar un trabajo, necesariamente hablamos de una transformación de energía cinética a otras formas de energía, que pueden seguir
siendo energía mecánica (energía potencial) o quizás la transforma en energía
eléctrica, térmica o cualquier otra. Esta semana comprenderemos los principios
que rigen la conservación de la energía.
¿Qué sabes de...?
En la semana anterior vimos cómo un sistema de poleas levanta un piano 6 m
realizando un trabajo mediante una máquina; ya habíamos dicho también que
la energía utilizada para poner en funcionamiento la máquina se transforma a
otro tipo de energía. Entonces, cuando el piano alcanza la altura deseada (6 m)
y se detiene en esa posición ¿la energía que gastaron los trabajadores en qué
forma se ha transformado? No puede ser energía cinética, porque el piano está
estacionario; no puede ser térmica, porque hemos despreciado la disipación
de energía por calor. ¿Qué otro tipo de energía pudo haber sido? Argumenta
tu respuesta.
El reto es...
Supongamos que el agua en la parte superior de la cascada mostrada en la
figura 15 se lleva a una turbina ubicada en la base de la caída, a una distancia
vertical de 94 m (308 ft). Digamos que 20% de la energía disponible se pierde
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Semana 13
Energía potencial y conservación de la energía
debido a la fricción y a otras fuerzas de resistencia. Si entran en la turbina 3000
kg de agua por minuto, ¿cuál es su potencia de salida?
Figura 15
Vamos al grano
Energía potencial gravitacional: el trabajo efectuado sobre una partícula
por una fuerza gravitacional constante puede representarse en términos de
un cambio en la energía potencial gravitacional Ugrav = mgh, donde m es la
masa de la partícula, g es el valor de la aceleración de gravedad 9,8 m/s2 y h
es la altura, o la medida desde un sistema de referencia. Esta energía es una
propiedad compartida de la partícula y la Tierra.
Además, en función de la energía potencial se pueden clasificar los puntos
de equilibrio en tres categorías:
1. Un punto es de equilibrio inestable si al sufrir un desplazamiento de
su posición de equilibrio, por pequeño que éste sea, entonces se alejará
más y más de él.
2. Un punto es de equilibrio indiferente o neutral si cuando el sistema es
desplazado de la posición de equilibrio una cantidad suficientemente
pequeña, posiblemente no volverá a acercarse al equilibrio, pero tampoco divergirá mucho de la posición anterior de equilibrio.
3. Un punto es de equilibrio estable cuando la respuesta del sistema frente a pequeñas perturbaciones o un alejamiento arbitrariamente pequeño del punto de equilibrio es volver u oscilar alrededor del punto de
equilibrio.
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Energía potencial y conservación de la energía
Semana 13
Energía potencial elástica: una energía potencial también se asocia con la
fuerza elástica, Fx = -kx, ejercida por un resorte ideal, donde x es la distancia
de estiramiento o compresión. El trabajo efectuado por esta fuerza puede
representarse como un cambio en la energía potencial elástica del resorte,
Uel = ½ kx2.
Fuerzas conservativas, fuerzas no conservativas y la Ley de conservación de la energía: todas las fuerzas son conservativas o bien no conservativas. Una fuerza conservativa es aquella para la cual la relación trabajo-energía
cinética es totalmente reversible. El trabajo de una fuerza conservativa siempre puede representarse mediante una función de energía potencial, no así el
de una fuerza no conservativa. El trabajo realizado por fuerzas no conservativas se manifiesta como cambios en la energía interna de los cuerpos. La suma
de las energías cinética, potencial e interna siempre se conserva.
Eficiencia (o rendimiento): se refiere al porcentaje del trabajo que entra a
una máquina y se convierte en trabajo útil que sale de ella. Con más generalidad, se trata de la energía útil que sale dividida entre la energía total que entra.
Eficiencia=
Energía útil
Total de energía
En situaciones reales, generalmente la eficiencia es muy baja, esa es una de las razones por las que debemos optimizar el uso
de energía.
Para saber más…
Experimenta con el simulador “Energía en el parque skate” (disponible
en http://li.co.ve/vas). Observa la variación de la energía entre cinética
y potencial, aumenta la fricción de la pista y nota que se genera un tipo
de energía adicional, ¿cuál es?
Crea tu propia rampa y experimenta cambiando las alturas de los extremos, ¿Qué sucede cuando un extremo es más alto que el otro? ¿Qué sucede cuando en la rampa se presenta un salto y su caída no es “natural”?,
¿por qué se detiene el skate?
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Aplica tus saberes
En la situación del reto se tiene una caída de agua; en la parte más alta toda
la energía almacenada en el agua es energía potencial gravitacional, esto se
debe a la masa del agua y a la altura a la que se encuentra la cascada (94 m),
toda esta energía potencial gravitacional, a medida que el agua cae por la
cascada, se transforma en energía cinética, al punto de que en la parte más
baja el total de la energía potencial que se tenía inicialmente se convierte en
energía cinética en el agua.
A partir de este momento se le otorga la energía cinética del agua a las turbinas que están ubicadas en la base de la caída, es en este punto en el que
se disipa alguna cantidad de energía debido a la fricción y a otras fuerzas de
resistencia; si se dice que el 20% de la energía se pierde, entonces la eficiencia
de las turbinas es del 80%.
Dicho esto resulta mucho más fácil calcular el total de energía que entra a
las turbinas por minuto de funcionamiento, la energía útil que sale y posteriormente la potencia de salida de la planta hidroeléctrica.
Comprobemos y demostremos que…
1. Participa en la discusión guiada por el facilitador y plantea tu solución
para compararla con el resto de los participantes. ¿Has acertado en tu
resultado?
2. Llena la escala de estimación; recuerda que 4 representa que estas totalmente de acuerdo con el criterio establecido y 1 que estás en desacuerdo. Luego, contrasta tu evaluación con las del resto de tus compañeros.
Criterios Comprendo
Domino el
el concepto Conozco
cálculo en
de energía las formas
situaciones
potencial y en las que
de energía,
conservase disipa
potencia y
ción de la la energía
eficiencia
energía
Los razonamientos
que aplico en la
resolución
de problemas son
válidos
Soy capaz
de justificar los
algoritmos
y/o proce- ∑ de
dimientos Ítems
de mi
resolución
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