LA ENERGIA

Este tema es sin lugar a dudas uno de los mas importantes en el estudio de la física. El vocablo energía es usado por toda clase de personas, sean o no cultas. Expresiones como energía química, energía luminosa, energía mecánica, energía eléctrica, energía solar, etc., se oyen mencionar todos los días.

Es frecuenté que una persona diga: hoy me siento con mucha energía, queriendo decir que se encuentran en condiciones de trabajar mucho. Efectivamente, la energía se define como ¨CAPACIDAD PARA REALIZAR UN TRABAJO¨

Se podría afirmar que la única fuente primaria de la emergía es el sol, pues todas las formas de energía existentes como la hidráulica, la química, la eléctrica, no son sino resultado de las transformaciones que experimenta la energía solar.

Examinemos un solo ejemplo para darnos cuenta de la importancia de la energía solar: mediante la energía solar el agua de los mares, ríos y lagunas se evapora y asciende para formar las nubes. El agua evaporada cae de nuevo en forma de lluvia, la que conducía a las centrales eléctricas procura la energía para poner en movimiento las maquinas que proporcionan el fluido eléctrico.

De todas las formas de energía nos interesa, por el momento, referimos a la energía cinética y a la energía potencial.

ENERGIA CIENTICA

Es la capacidad que tiene los cuerpos en movimiento para producir trabajo. Es cinética la energía de: una corriente de agua o gas, la de un proyectil disparado, la de un tren en marcha, la de un electrón.

Con la finalidad de determinar los factores que influyen en el valor de la energía cinética, consideramos la siguiente situación:

Sobre una esfera colocada en una mesa aplíquese una fuerza a lo largo de una distancia (s). ¿Qué ocurriría?

                          

V₀ = 0                                                           V                                        V₀ = 0                                                V

                                                                       ------»                                        ------»                                                 ------» 

                                                                            Valor de la energía cinética

A medida que obra la fuerza, la esfera se moverá con velocidad creciente, pero como la fuerza ha sido aplicado a lo largo de una distancia, entonces se ha realizado un trabajo cuyo valor seria:   W = F_S.

La pregunta es: ¿en que magnitud queda representado el trabajo efectuado? Como el resultado es el movimiento de la esfera, entonces, según lo dicho anteriormente, la esfera adquirió una energía cinética o energía debida al movimiento; luego si hacemos n tratamiento matemático hallamos:

Trabajo efectuado:

W = F_S        como    F   =   ma y  s  

Como el cuerpo adquirió una velocidad final, entonces:

vf  =  at     de donde    vf²  =  a² t²

Luego, sustituyendo:

De manera general, para cualquier valor de la velocidad se tiene:

Y como el trabajo realizo es igual a la energía cinética lograda, tenemos como expresión de energía cinética

Si en el ejemplo anterior el cuerpo al cual se aplica la fuerza constante viene ya dotado de una determinada velocidad V_o, después de un cierto recorrido S su velocidad habrá aumentado y en consecuencia debe haberse operado un cambio en la energía cinética, como consecuencia del trabajo efectuado.

Recordando que para un movimiento con aceleración constante rige la relación

V²  =  V²₀  +  2as  

Y puesto que el trabajo es:

W  =  F_s  =  mas  entonces  as  

Traducida a una frase la expresión anterior, se concluye que la variación de energía cinética de un cuerpo es igual al trabajo sobre el cuerpo.

De lo anterior se deduce que la energía cinética debe expresarse en las mismas unidades que el trabajo, es decir en julios o también en kilovatios-hora, como lo advertimos anteriormente.

EJEMPLO

Una esfera de 3 Kg de masa pasa por el punto A de su trayectoria con la velocidad de 4m/s y mas adelante en el punto B su velocidad es de 10m/s. calcular la energía cinética de la esfera en los puntos A y B el valor del trabajo efectuado sobre la esfera entre los puntos A y B

Energía cinética en  A

Es   = 24 julios

Energía cinética en B

Es   = 150 julios

Como el trabajo se mide por la variación de la energía cinética, entonces:     W  =  150 – 24  = 126 julios.

Se debe destacar que en el valor de la energía cinética influye principalmente la velocidad. Es por ello que la energía de un electrón es bastante mayor a la del proyectil de un cañón, aun cuando este tiene una masa considerable. El valor de una caída de agua que circule sino en la velocidad con que fluya.

ENERGIA POTENCIAL

A menudo el trabajo realizado por una fuerza aplicada a un cuerpo no produce incremento de su energía cinética, como es el caso de un objeto que, mediante la aplicación de una fuerza, es levantado a velocidad constante desde un nivel h₁ a otro mayor h₂, puesto que el movimiento se realiza a velocidad constante, el trabajo efectuado no provoca variaciones de la energía cinética. Entonces cabria preguntas: ¿en que queda representado el trabajo realizado.

Energía potencial:

Como el cuerpo de ha trasladado, el trabajo efectuado en el presente ejemplo seria:

w= mg (h₂ – h₁)  y si: h₂ = h

Entonces el trabajo es:

W = mgh

Expresiones que corresponden a la energía potencial gravitatoria,  o sea la energía relacionada con la posición o configuración de un sistema mecánico que, al menos en principio, puede convertirse en energía cinética o puede utilizarse para realizar un nuevo trabajo.

También es potencial la energía de un resorte que se comprime o alarga mediante la acción de una fuerza. De todas maneras, en cualquiera de las dos situaciones se realiza un trabajo representado por una energía potencial. Que en este ejemplo es de tipo elástico.

De lo anterior se colige que el trabajo que se efectúa al elevar un cuerpo recuperable y demás es fácilmente demostrable que el trabajo es independiente de la trayectoria que se siga entre las posiciones inicial y final.

Cuando esto ocurre, la fuerza que intervenga en la realización de trabajos no recuperables y en los que el valor de estos depende de la trayectoria que se siga entre los puntos inicial y final. Ç

Energía potencial:

Un ejemplo de fuerza disipativas se tiene en el caso de realización de trabajo en que existen fricción o rozamiento. Cuando un cajón lleno de piedras se traslada de un punto a otro sobre una superficie rugosa, el trabajo que se efectúa al ir de un punto a otro o no es recuperable y por otra parte su valor depende de la trayectoria que se siga entre los puntos inicial y final.

CONSEVACION DE LA MATERIA

Cuando un cuerpo se lanza hacia arriba con una velocidad V_0, su energía cinética de partida va disminuyendo a medida que asciende, en razón de la perdida de velocidad, pero a cambio va ganando energía potencial. Cuando el cuerpo llega a su máxima altura toda la energía cinética se habrá convertido en potencial: ahora bien, si el cuerpo desciende se opera el fenómeno contrario o sea que la energía potencial se transforma en cinética. En efecto:

Energía potencial máxima:

Ep= mgh

Como por la cinemática sabemos que la altura máxima es igual a:

Luego la energía mecánica al transformarse de cinética en potencial y viceversa se conserva constante:

Ep + Ec = constante

Ahora bien, aplicando esta conclusión a dos puntos cualesquiera se puede escribir:

Ep₁ + Ec₁ = Ep₂ +Ec₂ o sea:

Energía potencial en un punto mas energía cinética en el mismo, igual a la energía potencial en otro punto mas su correspondiente energía cinética.

Esta que es la ley mas importante de la naturaleza se cumple no solo en cuantos se relaciona con la energía mecánica sino en lo que se refiere a cualquier forma en que se obtiene de una caída de agua puede transformarse en: calorífica (estufas9, en luminosa (bombillas), en química (acumulador), en sonora (timbre), en mecánica (torno), etc.

En el mundo actual existe el temor de una próxima crisis de energía por el agotamiento del petróleo, pero a la vez se tiene gran esperanza en que al ser denominados completamente los fenómenos de fisión y fusión nuclear, la humanidad dispondrá de energía suficiente para vivir, siempre que esta no se despilfarre en planes bélicos.