Cinética y Potencial Eugene Hecht

Ivan Ricardo Calvillo Martínez.

Trabajo, trabajo, trabajo

Los ingenieros y científicos de finales del siglo XVIII se referían al trabajo como el producto de la fuerza por la distancia, es decir, convención que nosotros seguiremos, aunque una mejor denominación sería cambio en energía.

Ahora veremos que el producto de la fuerza por la distancia sobre la que actúa la fuerza, es una: medida del cambio correspondiente en energía.

Trabajo = fuerza x distancia

Para que se realice un trabajo sobre un objeto, éste debe desplazarse a lo largo de la línea de la fuerza, mientras que la fuerza esté actuando.

Trabajo, trabajo, trabajo

Situación Boulton-Watt.

«Vendo lo que todo el mundo quiere: Potencia»

Era el comienzo de la era de la potencia —viento, agua, vapor, cualquier cosa que moviera máquinas—. La ciencia se había acercado a la naturaleza no sólo para examinarla, sino para arrancar su energía, para apropiarse del «poder de los elementos»

La potencia es justamente esto, la velocidad de hacer trabajo, la cantidad de trabajo hecho en el tiempo que se tarda en hacerlo:

Potencia = trabajo/tiempo

Un motor que puede hacer la misma cantidad de trabajo que otro en la mitad del tiempo, es dos veces más potente .

Caballos de Fuerza.

Thomas Savery había sugerido mucho antes que la medida de la potencia debía estandarizarse basándose en la velocidad de trabajo de un caballo, y Watt tomó la idea. Determinó que un caballo de tiro podría ejercer una tracción de unos 670 N caminando a 1m/s durante un tiempo considerable. Esto es equivalente a 40 200 N-m cada minuto, o 670 N-m por segundo, y se denominó 1 caballo de potencia (hp).

En el sistema SI de unidades, 1 joule de trabajo realizado cada segundo es un desarrollo de potencia de 1 watt, y 746 W equivalen a 1 hp.

Casi todos los dispositivos eléctricos están diseñados en watts para indicar su consumo de potencia en el proceso de convertir la energía eléctrica en luz, sonido, calor, trabajo

Energía cinética

Para lanzar un objeto y hacerla acelerar desde el reposo hasta determinada rapidez final, debe ejercerse una fuerza

(F = m∙a)

Trabajo-movimiento-trabajo. Si definimos la energía simplemente como la capacidad de hacer trabajo entonces la bola en movimiento tiene cierta energía de movimiento.

En la actualidad llamamos energía cinética a la energía del movimiento, un término que introdujo hace unos 100 años una de las figuras más importantes del siglo anterior.

Energía cinética.

Para ver cómo se relacionan energía cinética y trabajo consideremos una situación en que el movimiento cambia. Imaginemos un cuerpo que se mueve por la influencia de una fuerza bastante constante: una bala que decelera a medida que penetra en arcilla húmeda; un cohete movido por un motor programado; una pelota en caída libre por su propio peso.

En todos los casos, el trabajo es fuerza x distancia, pero podemos reformular este producto para que quede expresado en términos de masa y velocidad.

Reescribiendo la fuerza como ma, usando la definición de aceleración en lugar de a y sustituyendo el teorema de la velocidad media para la distancia, podemos demostrar que:

trabajo = cambio en energía cinética,

es decir,

W = Δ(EC),

Siempre que la energía cinética esté definida por la relación

EC = ½ mv2

Energía Cinética

•Energía eléctrica

•Energía mecánica

•Energía eólica

•Energía nuclea

•Energía hidráulica

•Energía Sonora

•Energía Radiante

•Energía Fotovoltaica

•Energía de Reacción

•Energía mareomotriz

•Energía electromagnética

•Energía metabólica

•Energía hidroeléctrica

•Energía magnética

•Energía calorífica

•Energía Geotérmica

•Energía iónica

Energía Potencial

Esta claro que se puede hacer trabajo sin que se convierta de inmediato en energía cinética; no obstante, el potencial para generar tal energía está allí.

Es como si la energía estuviera almacenada en el sistema esperando a ser liberada. Esta energía almacenada recuperable, energía en virtud de la posición relacionada con una fuerza, se conoce como energía potencial

Una vez dejada de aplicar, la fuerza devolverá al cuerpo al lugar de origen, comunicando energía cinética en el proceso.

Energía potencial

Energía potencial Gravitacional.

Energía potencial eléctrica.

Energía potencial química.

Energía potencial elástica.

Conservación de la energía mecánica

La conservación de la energía mecánica es una de esas leyes sorprendentes que no han sido violadas nunca. En términos sencillos, esta ley sostiene que:

La energía mecánica total de un sistema aislado (EP más EC) es siempre constante.

Se trata en realidad de una versión restringida de una ley de conservación mucho más amplia y profunda, que abarca todas las formas de la energía. Como tal, es aplicable solamente cuando no hay conversión de energía mecánica en ninguna otra forma de energía.

Estabilidad de la leyes

Una pelota de 2 N de peso, a 100 m por encima de su mano extendida, tiene una EP gravitacional respecto a usted igual a

su peso (Fw) multiplicado por su altura inicial, es decir, 200 J. Esta energía está almacenada, dispuesta a convertirse en EC

en cuanto la pelota comience a caer. En principio (EC)( = 0 y (EP), = 200 J. A medida que desciende, acelerando, la

ganancia Δ(EC) es igual a la perdida Δ(EP) en cualquier instante, de modo que la energía total es siempre constante

(despreciando el rozamiento). Al descender la cuarta parte del recorrido, EP habrá decrecido a 2 N x 75 m, o 150 J, y EC

habrá aumentado a 50 J. En el punto medio del recorrido, EP = 100 J = EC. En el momento anterior a que la pelota caiga en

sus manos, toda la energía se habrá transformado en cinética (EC = 200 J), y no quedará ninguna almacenada como

potencial. De la definición de EC = ½ mv2, podremos calcular que la velocidad de llegada será de unos 44.3 m/s.

Estabilidad de la leyes

Un péndulo (o un columpio colgado de un árbol) es otro buen ejemplo de conservación de la energía, donde la plomada transforma la EP en EC y otra vez en EP. Recuérdese que la energía potencial se toma siempre respecto a alguna referencia arbitraria. El lugar más conveniente para situar el nivel cero para la EP en el ejemplo de la pelota que cae, era a la altura de la mano extendida; aquí es en lo mas profundo del balance del péndulo en ambos casos, en el punto más bajo del movimiento.

El péndulo en movimiento sube a una altura máxima en ambos extremos de su recorrido. En ellos, la plomada permanece un instante en reposo (EC = 0), y toda su energía es potencial. Al caer, EP se convierte en EC, aumenta la velocidad y la altura sobre el nivel de referencia disminuye. En el instante en que el péndulo ha bajado del todo y cuelga vertical, EP = 0, toda la energía es cinética y la plomada se mueve a su velocidad máxima. Obsérvese que

Δ(EP) es igual al peso de la plomada multiplicado por la altura desde la que ha caído, independientemente del nivel de referencia. En otras palabras, Δ(EP), la cantidad que nos interesa ahora, es independiente del nivel cero.

“La conservación de la energía mecánica es uno de los pilares de la ciencia moderna. Está tan profundamente arraigada en el catecismo de la física que muchos dudarían de

todo lo demás antes que de ella”.