CONCEPTO DE ENERGÍA Antes se definía la energía como la

Física y Química 4º ESO
Apuntes de Dinámica
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CONCEPTO DE ENERGÍA
Antes se definía la energía como la capacidad de un cuerpo o sistema para realizar un trabajo.
Vamos a ver una explicación más aceptable del concepto de energía dada por R. Feynman que,
además de haber sido premio Nobel en Física era un gran maestro a la hora de poner a nuestro
alcance el entendimiento de los conceptos de la Física.
Supongamos que en las ecuaciones anteriores quitamos el primer miembro. Lo que ocurre con
la energía viene a ser lo mismo. La energía a veces sale de un sistema, otras entra en él pero
lo que siempre ocurre es que el total de la misma permanece constante.
La energía corresponde por tanto a la capacidad de un sistema para actuar sobre otro o sobre
él mismo cambiando su estado dinámico o alterándolo de cualquier otra forma por ejemplo
deformándolo.
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TIPOS DE ENERGÍA
La energía tiene diferentes manifestaciones
Energía mecánica cuando está asociada al estado de un sistema (reposo, movimiento,
posición... Puede presentarse como:
Energía cinética
Es la que se asocia a un sistema debido a su estado de movimiento se
expresa matemáticamente según la expresión:
Donde m es la masa y v la velocidad. El ciclista tiene energía cinética por su estado
Ec = de movimiento.
Energía potencial gravitatoria
La energía que posee un sistema debido a su posición en el campo gravitatorio.
Las pesas adquieren energía potencial cuando se suben. Su valor viene dado
por la expresión
Ep = m · g · h Siendo: m la masa, g la aceleración de la
gravedad y h la altura sobre el suelo.
Energía potencial elástica
Es la energía que adquiere un sistema elástico cuando se separa de su posición de equilibrio.
Epe = Siendo K la constante recuperadora y x la separación respecto de la posición
de equilibrio.
Energía eléctrica
Las cargas eléctricas se mueven desde donde tienen mayor energía potencial a donde su
energía potencial es menor transformando esta diferencia de energía potencial en energía
eléctrica.
Energía potencial eléctrica:
Los electrones o cualquier otra carga situada en un campo eléctrico tiene una energía
potencial debido a su posición. El valor de esa energía es:
1 4 Donde Q es la carga que crea el campo, q la carga cuya energía potencial consideramos y la
distancia entre ellas es r. La primera fracción no es mas que un valor constante que depende
del medio en que se encuentren las cargas.
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Energía química
Se libera o se absorbe en un proceso químico. Un buen ejemplo es una reacción de
combustión.
Energía radiante
De tipo electromagnético, se propaga también en el vacío. La luz visible, la radiación
ultravioleta, los rayos infrarrojos, los rayos X, las ondas de radio y televisión, las microondas,
rayos gamma… son ejemplos de esta forma de energía.
Energía térmica
Se libera en forma de calor. Para que esto ocurra, se transfiera calor, es necesario que exista
una diferencia de temperatura entre los cuerpos y siempre pasa del que está a mayor
temperatura al que se encuentra a menor temperatura.
Energía nuclear
Se produce como consecuencia de procesos en los núcleos de los átomos en los que como
productos se obtienen otros núcleos y/o partículas cuya masa total es inferior a la masa inicial
de los sistemas que interaccionan.
Esa diferencia de masa se transforma en energía. Son de dos tipos de fusión (dos núcleos
menores se funden en otro mayor) y de fisión (un núcleo se rompe en otros menores
generalmente por la acción de una partícula que choca contra él) siempre la masa de los
productos es menor que la inicial.
Atendiendo a las fuentes de las que se obtienen podemos clasificar la energía en dos tipos:
Energías renovables son aquellas que se obtienen a partir de fuentes naturales inagotables y
que se pueden regenerar por medios naturales. Pueden considerarse no contaminantes y
contaminantes.
Entre las primeras tenemos la energía solar, eólica, geotérmica, maremotriz (mareas),
undimotriz (olas), hidráulica (saltos de agua), energía azul (aprovecha la distinta salinidad de
aguas mediante el uso de membranas semipermeables, como subproducto se obtiene agua
salobre, se empieza a usar en Holanda)
Contaminante se puede considerar la biomasa aunque hay quien no supone tal cosa puesto
que para obtenerla se necesita plantar vegetales en amplias extensiones que consumen el CO2
que luego producen.
Energías no renovables se obtienen a partir de reservas minerales que una vez consumidas no
vuelven a generarse.
Combustibles fósiles: carbón, petróleo, gas natural.
Combustibles nucleares: uranio, plutonio.
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CONCEPTO DE TRABAJO
Supongamos que queremos levantar un objeto que se encuentra en el suelo y colocarlo sobre
una estantería a una cierta altura. Para lograrlo debemos aplicar una fuerza que origine un
desplazamiento. De la misma forma si aplicamos una fuerza a un objeto sobre una superficie
horizontal podemos hacer que aumente su velocidad, provocamos por tanto una variación en
la energía cinética.
Podemos pues considerar que el trabajo es energía en tránsito desde el sistema que lo realiza
al sistema que es objeto de ese trabajo.
Si sobre un cuerpo actúa una fuerza F provocando un desplazamiento d con el que forma un
ángulo α el trabajo realizado se define como el producto escalar de la fuerza aplicada por el
desplazamiento, es decir, el producto de la fuerza F por el desplazamiento d por el coseno del
ángulo que forman los dos vectores. . Como se ve podemos
considerar el trabajo como el producto de la componente de la fuerza en la dirección del
desplazamiento por el propio desplazamiento. .
Esto implica que :
Si la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo de 0o el trabajo será W = F·d y si son 180o
W= - F·d
La unidad de trabajo en el sistema internacional es el julio (J) trabajo realizado por una fuerza
de 1 N que desplaza su punto de aplicación 1 m. 1 J = 1 N·m = 1 kg·m2/s2.
CONCEPTO DE POTENCIA
¿Qué diferencia hay entre dos coches de la misma marca, igual modelo pero con
motorizaciones diferentes? Todo el mundo lo sabe LA POTENCIA. La potencia es la capacidad
de realizar un trabajo en un tiempo determinado.
La potencia se define como el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo que se emplea en
realizarlo:
Solamente en el caso de que el movimiento sea uniforme podemos considerar que la potencia
será el producto de la fuerza por la velocidad.
La unidad de potencia en el SI es el vatio (W) se define como la potencia de una máquina capaz
de realizar un trabajo de 1 julio en un tiempo de 1 segundo.
Los dos coches pueden alcanzar una velocidad de 80 km/h, suponiendo que su
masa fuese la misma, la diferencia entre ambos es la potencia de sus motores.
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ENERGÍA MECÁNICA
Cuando sujetamos un libro y lo elevamos, el libro adquiere energía, si empujamos un carrito y
lo ponemos en movimiento, también el carrito adquiere energía. Si lo que hacemos es
comprimir un resorte, también éste adquiere energía. En todos los casos los sistemas
adquieren energía mecánica.
Sin embargo el tipo de energía mecánica adquirido en cada caso es diferente. En el primer caso
la energía es energía potencial gravitatoria, en el segundo se trata de energía cinética y en el
tercero es energía potencial elástica.
Energía cinética es la energía de un sistema debido a su estado de movimiento.
! 2
Siendo m la masa del sistema y v su velocidad. Como se puede deducir la unidad de energía
cinética es la misma que la de trabajo.
Energía potencial gravitatoria es la energía de un sistema debido a la
posición que ocupa en el campo gravitatorio. Su valor viene dado por la
expresión ! # $ donde m corresponde a la masa, g la aceleración de
la gravedad y h la altura respecto del suelo.
También la energía potencial tiene como unidad el julio. Puede deducirse a partir del análisis
dimensional.
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Supongamos el caso del balón de baloncesto de la figura.
Sobre él no actúa otra fuerza que la de su propio peso mientras cae. Si el
rebote es totalmente elástico la fuerza que se ejerce sobre él hacia arriba
producirá una aceleración inicial que le forzará a volver a subir hasta la
posición desde la que inicialmente cayó.
m·g·h0
altura h0 y
en reposo
m·g·h
Por tanto, la energía potencial que tiene en principio se va transformando
en energía cinética y potencial hasta que al llegar al final de la caída tiene
solamente energía cinética.
altura
h
velocidad v
m·v2/2
h=0
m·vf2/2
Tras el rebote la energía cinética inicial se va transformando en energía
potencial hasta que llega al punto más alto con la misma energía
potencial que en el momento en que se inicia la caída.
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