TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍAINTRODUCCIÓNAunque la energía no se puede crear ni se puede destruir, puede convertirse de una forma a otra por medio de los dispositivos o maquinas apropiadas. Por ejemplo, la energía química contenida en el carbón se puede transformar en energía térmica quemando el carbón en un horno. La energía térmica contenida en el vapor se puede transformar entonces en energía mecánica mediante una turbina. Por último, la energía mecánica se puede transformar en energía eléctrica por medio de un generador.

En el ejemplo anterior, el horno, la turbina y el generador son las máquinas que transforman la energía.

Desafortunadamente, siempre que se transforma energía, el rendimiento es menor que la energía alimentada porque todas las máquinas sufren perdidas. Estas perdidas aparecen en forma de calor el cual eleva la temperatura de la máquina. Por lo tanto una parte de la energía eléctrica suministrada a un motor se disipa como calor en los devanados. Además, una parte de su energía mecánica también se pierde debido a la fricción de rodamiento y la turbulencia de aire creada por el ventilador de enfriamiento. Las pérdidas mecánicas también se transforman en calor. Por consiguiente, el rendimiento de potencia mecánica útil de un motor es menor que la energía eléctrica alimentada.

OBJETIVOSReconocer las diferentes formas de energíaDeterminar la transformación de la energía potencial gravitatoria en energía potencial elástica y viceversa.Determinar la transformación de la energía potencial gravitatoria en energía cinética.Demostrar la conservación de la energía mecánica de un cuerpo.Comprobar que todos los procesos de la naturaleza tienen asociados transformaciones energéticas.

MATERIALESSISTEMA “A”:

Canal o guía

Objeto esférico

Soporte universal

Cronómetro

Regla

Balanza

SISTEMA “B”:

Resorte

Juego de pesas

Soporte universal

ASPECTO TEÓRICO

ENERGÍA:

En todos los actos cotidianos se emplea algo de fuerza. Al levantarnos, peinarnos, caminar, correr, jugar, trabajar, etc. Siempre se necesita de fuerza para poder desenvolvernos con facilidad, según las exigencias del medio ambiente que nos rodee. La capacidad que posee una persona, o un objeto, para ejercer fuerza y realizar cualquier trabajo, se denomina: Energía. La energía es la capacidad de producir un trabajo en potencia o en acto. Por eso decimos que alguien tiene mucha energía cuando grandes actividades durante el día como: trabajar, estudiar o practicar deportes.

La energía puede definirse en la forma tradicional, aunque no universalmente correcta como "la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla definición no es muy precisa ni válida para todos los tipos de energía, como la asociada al calor, pero sí es correcta para la energía mecánica, que a continuación describiremos y que servirá para entender la estrecha relación entre trabajo y energía.

FORMAS DE ENERGÍA

La energía luminosa (o radiante) procedente del sol se encuentra en la base de casi todas las formas de energía actualmente disponibles: la madera y los alimentos proceden directamente de la energía solar; los combustibles fósiles corresponden a un almacenamiento de energía de duración muy larga, cuya fuente es igualmente el sol: se trata de productos de transformación de organismos que vivieron hace millones de años para llegar al petróleo, al gas o al carbón.

La energía química deriva directamente de la energía luminosa o solar, bajo la forma potencial de alimentos, vegetales, o combustibles. Esta energía permite por tanto almacenamientos importantes y concentrados de energía. Las formas de utilización más frecuentes son la combustión, que corresponde a una oxidación rápida y completa de materias combustibles con desprendimiento de calor, o la fermentación y la respiración que corresponden a unas oxidaciones más lentas y a veces limitadas. La combustión muy rápida (explosión) se aprovecha en las pólvoras y en los explosivos.

La energía térmica junto con la energía química, constituye una de las primeras energías utilizadas por el hombre para calentarse o cocer sus alimentos. Esta energía proviene directamente de la energía solar, mediante la utilización de la radiación, o indirectamente, a través de los combustibles y la energía química que estos han almacenado. Permite a su vez producir otras formas de energía gracias a las máquinas denominadas térmicas.

La energía hidráulica tiene también su origen en el sol. La radiación solar hace evaporar el agua de los mares, lagos, etc., y forma nubes que producen nieve o lluvia que aseguran la perennidad del ciclo del agua. La energía potencial del agua retenida en lagos de montaña (naturales y artificiales) se utiliza en forma de energía hidráulica para producir, después de su conversión en energía mecánica, en turbinas llamadas hidráulicas, energía eléctrica (alternadores).

La energía mecánica, en forma de trabajo, es una energía cada vez más indispensable al hombre para la satisfacción de todas sus necesidades. Antes, el hombre solo podía contar con su propia energía muscular para desplazarse, ejecutar los trabajos necesarios para la producción de alimentos, vestidos, edificaciones, etc. Más tarde aprovechó la energía de los animales, el viento y el agua; por último, gracias a las conversiones de energía pudo utilizar los combustibles más diversos para hacer funcionar motores térmicos o para producir energía eléctrica.

Tipo de energía Forma en que se manifiesta

Lumínica Luz

Sonora Sonido

Eólica Viento

Mecánica Disponible en un eje

Potencial Posición

Cinética Velocidad

Eléctrica Electricidad

Latente Combustibles

ENERGÍA MECÁNICA

Energía mecánica es un concepto que facilita la descripción del movimiento de los cuerpos, constituye una alternativa diferente para el estudio del movimiento mediante las leyes de Newton donde es necesario conocer todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo o sistema; sin embargo, en muchos casos es muy difícil determinar todas las fuerzas y por consiguiente no podemos aplicar en forma directa las leyes de Newton. Los conceptos de trabajo y energía proporcionan métodos alternativos para resolver problemas, los cuales están basados en el Principio de conservación de la ebergía, indica que siempre que desaparece algún tipo de energía en un sistema (cinética potencial) parece en algún otro sistema

igual cantidad de energía del mismo o de otro tipo. La energía total permanece constante, aunque no se conserva cada una de ellas pro separado.

La energía mecánica es la que se debe a la posición y al movimiento de un cuerpo. Para sistemas abiertos formados por partículas que interactúan mediante fuerzas puramente mecánicas o campos conservativos la energía se mantiene constante con el tiempo:

.

Es importante notar que la energía mecánica así definida permanece constante si únicamente actúan fuerzas conservativas sobre las partículas. Sin embargo existen ejemplos de sistemas de partículas donde la energía mecánica no se conserva:

TRABAJO

El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como en dirección, se define como: "el producto de la magnitud del desplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento".

En forma de ecuación: , donde W denota trabajo, es la componente de la fuerza paralela al desplazamiento

neto d.

.

En forma más general se escribe: W=Fdcos , donde F es la magnitud de la fuerza constante, d el desplazamiento del objeto y

el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamiento neto. Notemos que Fcos es justamente la componente de la fuerza F paralela a d. Se aprecia que el trabajo se mide en Newton metros, unidad a la que se le da el nombre Joule (J).1 J = 1 Nm.

FORMAS DE ENERGÍA MECÁNICA

1. ENERGÍA CINÉTICA:

Supongamos que F es la resultante de las fuerzas que actúan sobre una partícula de masa m. El trabajo de dicha fuerza es igual a la diferencia entre el valor final y el valor inicial de la energía cinética de la partícula.

En la primera línea hemos aplicado la segunda ley de Newton; la componente tangencial de la fuerza es igual a la masa por la aceleración tangencial.

En la segunda línea, la aceleración tangencial at es igual a la derivada del módulo de la velocidad, y el cociente entre el desplazamiento ds y el tiempo dt que tarda en desplazarse es igual a la velocidad v del móvil.

Se define energía cinética como la expresión

El teorema del trabajo-energía indica que el trabajo de la resultante de las fuerzas que actúa sobre una partícula modifica su energía cinética.

2. ENERGÍA POTENCIAL:

Es l energía que posee un cuerpo en virtud de su estado o posición. Se definen las siguientes formas de energía potencial:

a) ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA:

Se define la energía potencial (EP) gravitacional de un objeto de masa m que se encuentra a una altura y de algún nivel de referencia como:

EPG = mgy g es la aceleración de gravedad

Esta definición es totalmente compatible con la definición de trabajo por cuanto el trabajo necesario para elevar la masa m desde el nivel de referencia hasta la altura y es Fy = Peso•y = mgy. El objeto ha acumulado una energía mgy.

Si dejamos que el objeto de masa m caiga libremente bajo la acción de la gravedad sobre una estaca que sobresale del suelo, efectuará un trabajo sobre la estaca igual a la energía cinética que adquiera llegando a ella.

b) ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA

Es la energía asociada con las materiales elásticos. Se demostrará a continuación que el trabajo para comprimir o estirar un resorte una distancia x es ½kx2, donde k es la constante del resorte.

Sabemos, por ley de Hooke, que la relación entre la fuerza y el desplazamiento en un resorte es F = -kx. El signo menos se debe a que la fuerza siempre se dirige hacia la posición de equilibrio (x = 0). La fuerza F ahora es variable y ya no podemos usar W = Fdcos .

Encontremos primero una relación general para calcular el trabajo realizado por una fuerza variable, que luego aplicaremos a nuestro resorte

Como Fx es aproximadamente constante en cada x, W Fx x, y el trabajo total puede aproximarse por

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA:

Si no hay rozamiento la energía mecánica siempre se conserva.

Si un cuerpo cae desde una altura se producirá una conversión de energía potencial en cinética. La pérdida de cualquiera de las energías queda compensada con la ganancia de la otra, por eso siempre la suma de las energías potencial y cinética en un punto será igual a la de otro punto.

EM = CTE

Parte experimentalProcedimiento experimental 6

Parte 1

Transformación de la energía potencial gravitatoria

a) Montamos el equipo experimental tal como se muestra en la imagen

b) Medimos la masa de la bola pequeña

H

d

A

B

c) Soltamos la bola desde la parte superior para diferentes valores de la altura.

Transformación de la energía potencial en energía cinéticaTabla 6.1

m = 21.3*103 g = 9.8 m/s2

h (m) d(m) t(s) V B(m/s) EPA(J) ECB(J) (EP−EC )∗100EP

1 0.186 1.83 1.92 1.9 0.0388 0.0384 1.03 %

2 0.475 1.79 1.19 3.0 0.0992 0.0965 2.72 %

3 0.264 1.81 1.59 2.3 0.0551 0.0549 0.36 %

En el punto ASe tiene:EPA = m.g.h

En el punto BSe tiene:

ECB = 12 m.V B

2

* Para hallar V B se usa:V F = V O + a.t

Como V O es igual a cero

→ V F = a.t = 2.d . tt 2

= 2.dt

Parte 2Transformación de la energía potencial gravitatoria en energía potencial elástica

a) Montamos el equipo tal como lo muestra la imagen

b) Determinamos la constante elástica del resorte, para ello colgamos objetos de masas conocidas y medimos en equilibrio el alargamiento que experimentó, luego completamos la tabla 6.2 y graficamos sus resultados.

Constante elástica de un resorteTabla 6.2

m (kg) F = m.g(N) x(m)1 0.3506 3.436 0.0112 0.4002 3.922 0.0203 0.5010 4.910 0.0384 0.2355 5.248 0.044

k = 54.9 (N/m)

Sabemos que k = m, donde m es la pendiente de la recta que se proyecta en la gráfica.

Por ley de Hooke:

F = k*xc) Para el esquema de la figura 6.2, fijamos un bloque de masa

conocida en el extremo inferior del resorte y soltamos desde la posición sin deformación, medimos la máxima elongación, X.

Transformación de la energía potencialTabla 6.3

k = 54.9 (N/m) g = 9.8 m/s2

m(kg) Y 1 Y 2 X1 X2 X1−X2 ¿¿ EPg EPe (EPg−EPe)∗100EPg

1 0.5355 37.8 36.6 52.5 49.3 3.2 10.24 275.51 281.08 2.02 %2 0.5010 40.4 37.4 52.5 49.5 3 9 257.76 547.05 4.15 %

Se sabe que solo va a tener energía potencial gravitatoria en el punto A, que es cuando se suelte la masa→ EPg = m.g.h

Se sabe que en el punto B, en el momento que tenga su máxima elongación, solo va a tener energía potencial elástica

→ EPe = 12 k.x2

Entonces, por conservación de la energía tenemos:

EPg= EPe

Conclusiones

Tanto en los dos casos vamos a poder verificar que la energía se conserva, la energía inicial se va transformar en otro tipo de energía, así también podemos concluir que debido a ciertos factores que no se contaron como son el rozamiento, la fricción de aire, etc; que intervinieron en el transcurso de los experimentos se generó un margen de error al final de los experimentos.

Esta práctica no ha ayudado a calcular cuantitativamente diversos eventos que suceden a diario pero que con una debida atención hacia estos han colaborado a una mejor comprensión del presente tema.

Cuestionario

5.1. Describe el procedimiento utilizado para determinar la rapidez V B

Para hallar V B se usa:V F = V O + a.t

Como V O es igual a cero

→ V F = a.t = 2.d . tt 2

= 2.dt

5.2. Discuta los resultados para las diferencias de las energías obtenidas en la tabla 6.1.

Se observa que la energía potencial gravitatoria es mayor que la energía cinética que se contempló al final del experimento.

Por lo tanto, podemos concluir que hay parte de la energía que no se ha transformado y se ha perdido ya sea por factores que no se contaron cómo fueron la resistencia del aire, la fricción de la rampa por la que se deslizo el objeto esférico, etc.

5.3. Si cambiamos el nivel de referencia, ¿cómo afecta a los resultados de la tabla 6.1?

Se verifica que a medida que la altura desde el nivel de referencia hasta donde se encuentra el objeto listo para ser soltado aumenta, el tiempo que este tarda en llegar a dicho nivel también aumenta.

Sabemos que:

EPA = m.g.h

ECB = 12 m.V B

2

Se sabe:

¿V F = V O + a.t

Como V O es igual a ceroV F = a.t

*d= V O.t + 12a.t 2

Como V O es igual a cero

d = 12a.t 2

a = 2dt2

→ECB = 12 m.V B

2 = 12 m.(a . t)2=

12 m ( 2d

t 2.t )

2

= 12 m ( 2d

t)2

Por lo tanto, a medida que el nivel de referencia se altere, tanto la energía gravitatoria como la potencial también variaran. Si EPA aumenta, entonces ECB también aumentará.

5.6 La gran diferencia observada entre las tablas es su margen de error relativamente parecido en ambos casos. Es así que comprobamos que la energía mecánica se conserva. La energía potencia se convierte a energía cinética y se conservan despreciando las fuerzas que fricción presentes en la canaleta (mínimas)

5.7. En la tabla 6.3 se aprecia claramente la transformación de la energía potencial en energía cinética.

5.8 Prepare un cuadro de otras formas de energía

FORMAS DE ENERGÍA

Enlace químico: Iónico Y

Covalente

MECÁNICA

POTENCIAL

NUCLEARINTERNA

CINÉTICA

GRAVITATORIA

Energía Cinética de átomos y moléculas

ELÁSTICA

POSICIÓNMOVIMIENTO

FISIÓNFUSIÓN

ELÉCTRICA

QUÍMICATÉRMICA

Se debe a las fuerzas intranucleares: Fuertes

y débiles

CONCLUSIONES

Las fuerzas cambian la forma y estabilidad de los cuerpos. Una fuerza es capaz de generar energía suficiente para doblar, torcer, aplastar o extender un objeto. Los materiales elásticos tratan de recuperar su forma original cuando la fuerza que los cambió desaparezca. Esto quiere decir que acumulan energía y luego la liberan para mover otros cuerpos, demostrando de esta manera la conservación de la energía. Ejemplo de ello sería los relojes y juguetes de cuerdas.Es importante señalar que, aunque no podemos analizar todos los procesos que ocurren en la naturaleza, podemos llegar de manera inductiva a la siguiente conclusión: Las transformaciones de la energía están presentes en todos los procesos que observamos en la naturaleza

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

-Rodolfo Navarro Solís, MÁQUINAS ELÉCTRICAS Y SISTÉMAS DE POTENCIA, Sexta Edición, p.53

-Vicente Bermúdez, TECNOLOGÍA ENERGÉTICA, Editorial Reproval S.L. P. 97-107