Tema Energías
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TEMA – ENERGÍAS PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN Profesor Juan Sanmartín Física Recursos subvencionados por el…
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TEMA – ENERGÍASPRINCIPIO DE CONSERVACIÓN
Profesor Juan Sanmartín
Física
Recursos subvencionados por el…
EnergíaLa energía es una propiedad que está relacionada con los cambios o procesos de transformación
en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. La forma de
energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su
transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo.
Ambos conceptos permiten estudiar
el movimiento de los cuerpos de
forma más sencilla que usando
términos de fuerza y constituyen, por
ello, elementos clave en la
descripción de los sistemas físicos.
Refinería de Petróleo
El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la Dínámica como
teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición
y velocidad. Es posible, no obstante, describir la condición de un cuerpo en movimiento
introduciendo una nueva magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante
el concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una etapa avanzada
del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de una forma por lo general más
simple.Energía Potencial
Energía Cinética
En el lenguaje ordinario energía es sinónimo de fuerza; en el lenguaje científico, aunque están
relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes. Algo semejante
sucede con el concepto de trabajo, que en el lenguaje científico tiene un significado mucho más
preciso que en el lenguaje corriente.
El movimiento, el equilibrio
y sus relaciones con las
fuerzas y con la energía,
define un amplio campo
de estudio que se conoce
con el nombre de
mecánica.
La mecánica engloba la cinemática o descripción del movimiento, la estática o estudio del equilibrio
y la dinámica o explicación del movimiento. El enfoque en términos de trabajo y energía viene a
cerrar, pues, una visión de conjunto de la mecánica como parte fundamental de la física.
La EnergíaEl término energía es
probablemente una de las palabras
propias de la física que más se
nombra en las sociedades
industrializadas. La crisis de la
energía, el costo de la energía, el
aprovechamiento de la energía, son
expresiones presentes
habitualmente en los diferentes
medios de comunicación social.
¿Pero qué es la energía? Antigua Máquina excavadora – Central de As Pontes (A Coruña)
¿Qué es la Energía?La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas
materiales. La naturaleza es esencialmente dinámica, es decir, está sujeta a cambios: cambios
de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado físico, por
ejemplo. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios materiales y que indefectiblemente
los acompaña; ese algo constituye lo que se entiende por energía.
La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual
éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros
originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o
biológico sería posible. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados
con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe.
EnergíasUn embalse no sólo es un depósito de agua
útil para el riego, la alimentación, los
servicios, etc., sino que también es un
depósito de energía. El agua, al descender
hasta el nivel del río, cede su energía
potencial, que se transforma finalmente en
energía eléctrica. Ésta es una forma barata
de almacenar energía. Constituye el
fundamento de la producción de energía
hidroeléctrica.
En las horas en que baja el consumo de energía eléctrica (horas valle), algunas centrales utilizan la
propia energía que generan en bombear de nuevo agua del rio al embalse, va que no es rentable
pararlas
Embalse Ribadavia (Ourense)
La locomotora eléctrica, cuando se
desplaza, posee una energía
cinética tanto mas elevada cuanto
mayor sea la velocidad y la masa que
arrastre. Esta energía cinética la ha
adquirido consumiendo en sus
motores energía eléctrica, que ha sido
transportada de la central a través del
tendido eléctrico.
No todas las líneas ferroviarias están electrificadas. En las líneas no electrificadas suelen utilizarse
locomotoras diesel. El metro es un tren eléctrico.
Las energías potencial y cinética constituyen en conjunto la energía mecánica.
Energía Potencial
y Energía Cinética.
La resolución de problemas numéricos de Dinámica puede plantear dificultades al intentar aplicar
las leyes o principios de Newton. Estas dificultades disminuyen utilizando el concepto de energía y
las relaciones entre los distintos tipos de energía.
Físicamente el resultado es el mismo, porque las relaciones de la energía cinética y la energía
potencial se obtienen a partir de las leyes de Newton. Pero la capacidad de cálculo a través de la
magnitud energía es mucho mayor.
El concepto de energía puede aplicarse en
la resolución de diferentes problemas
numéricos, como, por ejemplo:
cuando el sistema de
fuerzas sea complicado y
la aplicación directa de los
principios de Newton
ofrezca dificultades.
cuando todas o algunas de
las fuerzas no se
conozcan.
Si trataras de resolver este problema con los conocimientos adquiridos hasta ahora encontrarías
dificultades, porque el niño se mueve primero en un plano inclinado, luego en otro horizontal y de
nuevo en otro inclinado con distinto ángulo de inclinación, y las fuerzas F que actúan varían en
cada caso.
La energía potencial de un sistema material procede de un trabajo que se ha realizado sobre él.
Energía potencial es la que poseen los cuerpos en virtud de la posición que ocupan.
La energía que poseen los cuerpos a causa de su movimiento se llama energía cinética.
Si sobre un sistema no actúan fuerzas exteriores, su energía permanece constante. (Principio de
conservación de la energía)
El trabajo que se realiza sobre un sistema sirve para modificar la energía cinética y potencial de
dicho sistema.
Esquema de Contenidos
Así, por ejemplo, un cuerpo colocado a una determinada altura
dentro del campo gravitatorio terrestre tiene una energía
potencial (energía potencial gravitatoria) debida a la gravedad;
un cuerpo colgado colocado en un campo eléctrico tiene una
energía potencial debida a las fuerzas eléctricas que actúan
sobre él (energía potencial eléctrica); un resorte comprimido
tiene una energía potencial del da a la fuerza recuperadora que
tiende a devolverlo a su forma normal (energía potencial
elástica), etc.
Energía PotencialConcepto y tipos
Se llama energía potencial la energía que tiene un cuerpo que es situado en un campo de fuerzas, en virtud de la posición que ocupa dicho campo.
Energía Potencial Gravitatoria
Cuando un cuerpo de masa que estaba inicialmente en el suelo levantamos hasta una altura h,
estamos realizando un trabajo. levantamos el cuerpo verticalmente y despreciamos la resisten del
aire, el valor de este trabajo vendrá dado por:
La energía potencial gravitatoria es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo, en virtud de la posición que ocupa dentro campo gravitatorio.
mghhPsFW coscos21
El trabajo que hemos realizado no se ha perdido; al contrario, cuerpo ha adquirido una energía
potencial numéricamente igual trabajo que ha sido necesario para desplazarlo. La energía
potencial gravitatoria que tiene un cuerpo de masa m que se encuentra reposo y situado a una
altura h sobre el nivel del suelo, viene dada por la siguiente fórmula…
Cuando el cuerpo caiga del punto 2 al 1, perderá su energía potencial y realizará un trabajo.
cumpliéndose que:
mghE potencial 221 pEW y
La diferencia entre 1 y 2 es que el primero ha de ser realizado en contra del campo, y el segundo lo
realiza el campo gravitatorio. Se consideran de distinto signo.
Al calcular la energía potencial de un cuerpo, siempre es necesario definir cuál es el sistema de
referencia que se está considerando.( convenio, la energía potencial de un cuerpo se calcula con
respeto al nivel más bajo que el cuerpo puede alcanzar en el problema concreto que se está
estudiando).
Si queremos calcular el aumento de energía potencial experimentado por un cuerpo cuando dicho
cuerpo se sube desde el punto 1 ha el punto 2, este aumento vendrá dado por:
2112 mghmghEEE ppp
donde h = h2 - h1, siendo h1 y h2 las alturas que ocupa el cuerpo los puntos 1 y 2.
211212 WWEE pp
Es la energía que posee un muelle y por la cual puede realizar un trabajo, depende de una
constante característica de cada muelle y del su desplazamiento.
2
21 KxE potencial
Supongamos que sobre un cuerpo de masa m, inicialmente en reposo, actúa una fuerza F, de tal
manera que el cuerpo comienza moverse. Cuando el cuerpo haya recorrido una distancia s, ha
adquirido una velocidad.
Sobre este cuerpo se ha realizado un trabajo y, como consecuencia de ello, el cuerpo ha adquirido
una energía cinética. Si prescindimos del rozamiento, la energía cinética adquirida por el cuerpo es
igual trabajo que se ha realizado sobre él.
Todos los cuerpos que no están en reposo poseen una cantidad E energía debida a su movimiento.
Esta energía se conoce como energía cinética.
Se llama energía cinética la capacidad de realizar trabajo que tiene cuerpo en movimiento, en virtud de la velocidad de dicho cuerpo.
Energía cinética = Trabajo realizado
Energía Cinética.
Calcularemos el valor de esta energía suponiendo que la fuerza F que actúa sobre el cuerpo
es constante, tanto en módulo como en dirección y sentido, siendo la dirección de dicha fuerza
la misma que dirección en la que se mueve el cuerpo. Según esto, el trabajo realizado por esta
fuerza será:
22
21 21
2cos mvs
svmsamsFW
Es decir, la energía cinética que adquiere un cuerpo que se encuentra en reposo, cuando se
efectúa un trabajo W sobre él, es igual a la mitad del producto de la masa de dicho cuerpo por el
módulo de la velocidad que adquiere dicho cuerpo elevada al cuadrado.
2
21mvEcinética
Cuando un cuerpo aumenta su velocidad, aumenta también su energía cinética, mientras que,
cuando un cuerpo disminuye su velocidad, disminuye su energía cinética.
En el primer caso, para conseguir un aumento de energía cinética habrá sido necesario efectuar
un trabajo sobre el cuerpo, mientras que en el segundo, la disminución de energía cinética se
produce porque el cuerpo ha realizado un trabajo igual a la pérdida de energía cinética que ha
experimentado.
Matemáticamente, esto se expresa así:
inicialEfinalEW cc
Si la velocidad de un cuerpo se duplica, la energía cinética de dicho cuerpo se hace cuatro veces
mayor.
Cuando la energía cinética final es mayor que la energía cinética inicial, se está realizando un
trabajo sobre el cuerpo. Por el contrario, cuando la energía cinética final es menor que la energía
cinética( inicial, es el cuerpo el que está realizando el trabajo.
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN
DE LA
ENERGÍA MECÁNICA
Conversión de la energía potencial en energía cinética y viceversa
Supongamos un cuerpo de masa m a una altura h. En esta posición inicial, el cuerpo tiene una
energía potencial inicial gravitatoria que viene dada por:
hgmEpi
Como el cuerpo se encuentra en reposo, no tiene energía cinética. Sin embargo, el cuerpo, a
medida que baja, va adquiriendo mayor velocidad, con lo que su energía cinética va en
aumento. Por el contrario, la energía potencial disminuye paulatinamente, ya que la altura a la
que se encuentra el cuerpo es cada vez menor.
De este modo, cuando el cuerpo llega al suelo, su energía cinética es máxima, mientras que su
energía potencial es igual a cero. La energía cinética del cuerpo en esta posición viene dada
por:2
21mvEcf
En estas condiciones, si tenemos en cuenta las características del movimiento con el que el cuerpo cae, llegamos a la siguiente conclusión:
cfpi EmvgvmgmghE 22
21
2
Es decir, la energía cinética que tiene el cuerpo al llegar al suelo es igual a la energía potencial que
tenía dicho cuerpo en el instante inicial de su movimiento. O bien, dicho de otra forma, la energía
potencial se ha transformado completamente en energía cinética.
Supongamos ahora el caso contrario, es decir, desde el suelo vamos a lanzar el cuerpo hacia arriba
con una velocidad inicial v. En esta situación el cuerpo inicia su movimiento dotado de una energía
cinética que viene dada por:
2
21mvEci
Como el cuerpo se encuentra al nivel del suelo, no tiene energía potencial. Sin embargo, a medida
que el cuerpo sube, va disminuyendo su velocidad y, en consecuencia, va disminuyendo su energía
cinética. Por el contrario, a medida que el cuerpo gana altura, la energía potencial aumenta
progresivamente.
La ascensión del cuerpo continuará hasta que su velocidad llegue a ser nula, alcanzando entonces
el punto más alto de su trayectoria. En ese momento la energía cinética será nula y la energía
potencial será máxima.
En estas condiciones, al igual que en el caso anterior, el valor de la energía potencial que tiene el
cuerpo en el punto más alto es igual a la energía cinética que tenía dicho cuerpo en el instante
inicial de su movimiento. Es decir, la energía cinética se ha transformado completamente en
energía potencial.
pfci EE
Sistemas donde no se consideran las fuerzas de rozamiento
Supongamos un cuerpo que desciende desde una cierta altura, h hasta llegar al nivel del suelo
despreciando el rozamiento del aire.
Estudiaremos la energía que tiene dicho cuerpo en un punto cualquiera, A, de su recorrido.
El cuerpo se encontrará a una determinada altura, hA, y, por lo tanto, tendrá una determinada
energía potencial:
ApA mghE
En dicho punto, el cuerpo tendrá también una velocidad, Va, y energía cinética:
2
21mvEcA
La energía mecánica total de dicho cuerpo viene dada por la suma sus energías cinética y
potencial:
En cada punto del recorrido del cuerpo, la energía cinética y la energía potencial van cambiando;
lo que se mantiene constante es la suma.
En estas condiciones, la velocidad que lleva el cuerpo se puede escribir en función de la altura y
de la aceleración de la gravedad, de la siguiente manera:
)(22AA hhgV
En consecuencia, sustituyendo en la expresión de la energía total; resulta:
Es decir, la suma de las energías cinética y potencial del cuerpo en un punto cualquiera de su
recorrido es igual a la energía potencial que tiene dicho cuerpo al principio de este recorrido y, por
lo tanto( es igual a la energía cinética que tiene el cuerpo al final de dicho recorrido.
piAAmA EmghmghhhgmE )(221
De este modo, si se considera nulo el rozamiento, entonces se cumple el principio de
conservación de la energía mecánica, que se enuncia así:
La energía mecánica de un cuerpo en movimiento se mantiene constante en todos y cada
uno de los puntos de su recorrido.
Matemáticamente, este principio se expresa mediante esta ecuación
cinéticapotencialmecánica EEE (no consideramos rozamiento)
Si sobre el cuerpo actúan fuerzas aplicadas, el trabajo realizado por estas fuerzas produce una
variación de la energía cinética y potencial del cuerpo, cumpliéndose la relación:
pipfcicfEXTERNO EEEEW
donde WEXTERNO representa el trabajo realizado por las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo y donde
Eci y Epi y Ecf y Epf, representan, respectivamente, las energías cinética y potencial del cuerpo, antes
y des pués de la aplicación de las fuerzas.
PROBLEMAS
140
m.
A
B
C
Problema: Calcula la velocidad en B y C de una pelota de 200
g. de masa, sabiendo que B la pelota ha descendido 50 m.
Para empezar tenemos que comprender que la energía
mecánica en los puntos A, B y C es la misma, es decir…
CmecánicaBmecánicaAmecánica EEE ___
Entonces comenzamos por el punto más alto A
2___ 2
1AAAcinéticaApotencialAm vmhgmEEE
Como en A , el cuerpo se deja caer no tiene velocidad en A y por lo tanto Energía cinética
smvA 0
Entonces
.27514081,92,0__ JhgmEE AApotencialAm
En el punto B tenemos la misma Energía Mecánica que en A y por lo tanto
JvmhgmEEE BBBcinéticaBpotencialBm 27521 2
___
Como se nos indica que ha descendido 50 m., la altura en B será…
.905014050 mhh AB
Y por lo tanto…
Jvvmhgm BBB 2752,0219081,92,0
21 22
Despejamos la velocidad en B
s
mv
vv
Bentonces
Bentonces
B
4,312,0
6,1762752
6,1762752,0212752,0
216,176 22
Para concluir calculamos la velocidad en C, donde la Energía Mecánica es la misma que en A y B.
JvmhgmEEE CCCcinéticaCpotencialCm 27521 2
___
Pero en este caso la altura en C es cero .0mhc y por lo tanto
JvmEE CCcinéticaCm 27521 2
__
Y por lo cual concluimos…
smvJvvm cCC 44,52
2,027522752,0
21
21 22
Problema: Un cuerpo de masa 15 kg. se sitúa en lo alto de un plano inclinado 35º sobre la horizontal. La longitud del plano es 20 m.
¿Cuánto vale la energía potencial del cuerpo al estar en lo alto del plano? ¿Con qué velocidad llega el cuerpo al final del plano? ¿Cuánto vale su energía cinética en
ese instante?. Cuando está a una altura de 1m. ¿Qué velocidad lleva?
1 m
.
A
B
C
En este problema sabemos la longitud de la
rampa y el ángulo que forma esta con la
horizontal, pero desconocemos la altura, y
por lo tanto tenemos que aplicar las razones
trigonométricas…
Aopuesto
opopopuesto
hmc
sencc
senhipotenusacateto
sen
.5,11
º352020
º35
Tenemos la altura en A y podemos empezar el problema como el anterior…
CmecánicaBmecánicaAmecánica EEE ___
Entonces comenzamos por el punto más alto A
2___ 2
1AAAcinéticaApotencialAm vmhgmEEE
Como en A , el cuerpo se deja caer no tiene velocidad en A y por lo tanto Energía cinética smvA 0
Entonces.16925,1181,915__ JhgmEE AApotencialAm
Consideramos B el final del plano y por lo tanto con altura 0. .0mhB
smv
JvJvmEE
Bentonces
BBBcinéticaBm
151516922
169215211692
21 22
__
Planteamos
El problema nos pregunta que velocidad llevará cuando está a un metro de altura…
Jv
JvmhgmEEE
Centonces
CCCcinéticaCpotencialCm
16921521181,915
169221
2
2___
Despejamos la velocidad
s
mv
JvJv
c
CC
4,1415
14716922
16921521147169215
21181,915 22
Final
5 m
.
3,7
m.
16,5
0 m
.
A
B
C
Problema: Fijándote en la figura. Calcula la velocidad en el punto inicial para que la vagoneta pase el looping con una velocidad mínima de 45 km/h. ¿Qué velocidad tendrá al final do recorrido?. (masavagoneta=3700 kg.)
El planteamiento de este ejercicio es distinto a los anteriores, puesto que no conocemos la velocidad
en el punto a, que no puede ser cero. Eso sí, conocemos que tiene que pasar el looping a 45 km/h y
la altura del mismo, por lo tanto conocemos la Energía Mecánica en ese punto. Vamos a comenzar
por ahí. Primero todo al S.I.
sm
kmm
sh
hkmvB 5,12
.1.1000
3600145
Calculamos la energía mecánica en B.
2___ 2
1BBBcinéticaBpotencialBm vmhgmEEE
JE Cm 8879635,123700215,1681,93700 2
_
Hemos obtenido la Energía Mecánica en B y por lo tanto…
CmecánicaBmecánicaAmecánica EEE ___
Ahora podemos calcular la velocidad en el punto A (inicio de recorrido)
Jv
JvmhgmEEE
Aentonces
AAAcinéticaApotencialAm
887963370021581,93700
88796321
2
2___
La velocidad en A es…
.54,19
37001814858879632
887963370021181485 2
smv
Jv
A
A
Y de la misma manera para el punto C (final del recorrido)
Jv
JvmhgmEEE
Centonces
CCCcinéticaCpotencialCm
8879633700217,381,93700
88796321
2
2___
.2,20
37001349908879632
887963370021134990 2
smv
Jv
C
C
FIN
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