Energía cinética y potencial
El trabajo (W) se define como la transferencia o
transformación de la energía cuando se aplica una fuerza (F) para desplazar un
objeto (distancia, d). Se expresa como W = F.d. Su unidad se llama joule (J).
El trabajo que se ejerce en un determinado tiempo (t) se conoce como potencia
(P) y se representa como (P) = W/t y su unidad es vatios o Watts (W) (joule/s).
Existen algunas fuerzas aplicadas que no ejercen trabajo,
como las perpendiculares al vector de desplazamiento; las que no producen
desplazamiento y las de rozamiento, que siempre se oponen al movimiento. El
trabajo proporciona una energía, específicamente mecánica, que puede ser
clasificada en dos tipos básicos que cambian constantemente de uno a otro y
son:
■ Energía cinética (Ec): es la energía asociada al
movimiento de un objeto. Depende de la masa del objeto y de la magnitud de su
velocidad. Por ejemplo, un objeto en movimiento, como una pelota o un
automóvil, poseen energía cinética. Se puede calcular como Ec = ½ mv2,
como la mitad del producto de su masa (m) por la magnitud de su velocidad (v )
al cuadrado.
■ Energía potencial: es la energía almacenada en un objeto
o conjunto de objetos debido a su posición o configuración. Existen diferentes
tipos, como por ejemplo la energía potencial química, energía potencial
gravitatoria y la energía potencial elástica.
– Energía potencial gravitacional (Epg): es la energía
asociada al peso de un cuerpo y a su altura con respecto a un punto de
referencia, por ejemplo, el suelo. La altura sobre la superficie (h) y la masa
del cuerpo (m) afectan la cantidad de energía potencial, tal como se expresa su
ecuación (Epg) = mgh.
– Energía potencial elástica Epe: es aquella energía
asociada a la deformación de un cuerpo elástico el cual tiene la capacidad de
volver a su forma original luego de ser deformado (restauración), por ejemplo,
un resorte o una garrocha. Este tipo de energía depende de la elasticidad del
cuerpo. Su ecuación Epe = ½ k . (∆x)2, se representa con
la constante de elasticidad, (k) y su deformación (x).
Energía mecánica (Em): Forma parte de la vida diaria y es
el resultado de la cantidad total de energía cinética Ec y energía potencial
Ep. La ecuación siguiente la describe: Em = Ec + Ep. La energía mecánica se
mantiene constante siempre que no existan rozamientos ni trabajo externo, lo
que se reconoce como principio de conservación de la energía mecánica.
En la energía mecánica, la pérdida de una energía (cinética
o potencial) resulta en la ganancia de la otra.
Ejercicios
1) ¿Cuál
es la energía cinética de un ciclista cuya masa es 80 kg (incluyendo la
bicicleta) y que se mueve a una velocidad de 15 m/s?
2) Calcula
la energía potencial elástica de un resorte que se comprime 0.1 m respecto a su
posición de equilibrio, con una constante elástica del resorte de 300 J
3) Un
objeto de 5 kg está ubicado a una altura de 10 metros sobre la superficie de la
Tierra. Calcula su energía potencial gravitatoria.
4) Un
ciclista de 90 kg se desplaza en una colina. Al inicio de la colina, su
velocidad es de 5 m/s. A medida que sube, su altura aumenta en 15 metros.
Calcula su energía cinética y su energía potencial gravitatoria al final de la
colina.
5)
Un resorte tiene una constante elástica de 500
N/m. Si se comprime 0.2 metros desde su posición de equilibrio, ¿cuál es la
energía potencial elástica almacenada en el resorte?
6)
Un automóvil de 800 kg se mueve a una velocidad
de 20 m/s. Calcula su energía cinética.
7)
Una persona de 75 kg se sube a una escalera
elevándose a una altura de 8 metros sobre el suelo. ¿Cuál es su energía
potencial gravitatoria?
8)
Un resorte tiene una constante elástica de 200
N/m y se comprime 0.2 metros. ¿Cuál es la energía potencial elástica almacenada
en el resorte?