Fisica Ondas y electromagnetismo
ENERGIA MECANICA, CINETICA Y POTENCIAL
ENERGIA MECANICA
La Energía mecánica es la producida por fuerzas de tipo mecánico, como la elasticidad, la gravitación, etc., y la poseen los cuerpos por el hecho de moverse o de encontrarse desplazados de su posición de equilibrio. Puede ser de dos tipos: Energía cinética y energía potencial (gravitatoria y elástica):
ENERGIA CINETICA
ENERGIA POTENCIAL GRAVITATORIA
ENERGIA POTENCIAL ELASTICA
LA ENERGIA MECANICA Y SU CONSERVACION
Sin duda, uno de los conceptos centrales de la física y de la mecánica en particular, es el de energía. La energía es la capacidad de la materia para producir transformaciones. La energía mecánica que ya definiremos más adelante, es la que nos permite realizar trabajo mecánico.Trabajo mecánicoAunque en la vida cotidiana es compón asociar la idea de trabajo con el esfuerzo o cualquier otra acción en la que se requiera energía, en física y en mecánica en particular, el trabajo tiene una definición bastante restringida. Decimos que una fuerza realiza trabajo sobre un cuerpo cuando al actuar sobre éste lo desplaza en la misma dirección en que actúa. Por ejemplo:
En este caso, la fuerza realiza trabajo porque el cuerpo es desplazado una distancia d de manera paralela a la fuerza.Operacionalmente el trabajo (W) se determina como:
W = F∙d
Sus unidades están dadas por:
W = F∙dà [N∙m]= joule =[J]
Es muy importante tener en cuenta algunas situaciones especiales, por ejemplo, cuando aplicamos una fuerza, pero no somos capaces de producir desplazamiento, el trabajo en ese caso es nulo. Esto es independiente de la energía que empleemos, si no hay desplazamiento no hay trabajo. Algo similar ocurre cuando sostenemos una maleta o un bulto en el hombro en reposo. Aunque nos cansemos, no hay trabajo porque no hay desplazamiento.También es importante considerar que el desplazamiento debe ser realizado en la dirección en que actúa la fuerza. Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento, esa fuerza no realiza trabajo. Por ejemplo, si sostenemos una maleta verticalmente para evitar que el peso la haga caer y nos movemos horizontalmente, entonces esa fuerza vertical, al igual que el peso no realizan trabajo porque actúan de manera perpendicular al desplazamiento.
Potencia mecánica
La potencia es una medida de la rapidez con que se realiza trabajo y se determina operacionalmente como la razón entre el trabajo realizado y el tiempo empelado en realizar dicho trabajo, es decir:
Las unidades de la potencia están dadas por:
EjemploSupón que se traslada un mueble del modo que se ilustra en la figura.
Si la fuerza F que aplicas es 200 newton y el desplazamiento (d) que produces en el mueble es 10 m, entonces, el trabajo que realizas es:
T = Fd = (200 N)×(10 m) = 2.000 joule.
Ahora bien, este trabajo lo puedes realizar en diferentes tiempos. Si en trasladar el mueble te demoras 10 s, entonces la potencia que desarrollas es
En cambio, si lo haces lentamente y demorándote 40 s, la potencia que desarrollarás será de 50 watt, aunque el trabajo seguirá siendo el mismo.
Formas de energía mecánica
La energía mecánica es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento y/o posición. De acuerdo con esto hablamos de energía cinética o energía potencial gravitatoria.
Energía Cinética (EC)
Es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento y operacionalmente se determina de la siguiente manera:
Y sus unidades están dadas por
Energía potencial gravitatoria (EP)
Es la energía que posee un cuerpo debido a la altura a la que se encuentra sobre la Tierra. Operacionalmente esta energía se determina como:
Donde m es la masa del cuerpo, g la aceleración de gravedad y h la altura a la que se encuentra; sus unidades están dadas por:
Conservación de la energía mecánica
La energía mecánica (EM) de un cuerpo o un sistema, equivale a la suma de sus energías potencial y cinpetica, es decir:
EM = EC + EP
La importancia de la energía mecánica, se debe a que es una magnitud que al igual que el momentum se conserva constante en situaciones en que no hay fuerzas externas actuando sobre el sistema y en ausencia de roce.Es decir:
EC + EP = Constante
Esta ley es mucho más fácil comprenderla a través de un
ejemplo:
Una piedra se suelta desde una altura de 2 m respecto del suelo aquí, en la superficie terrestre. Si despreciamos los efectos de roce con el aire, ¿con qué rapidez impacta en el suelo?
Hay aquí dos puntos importantes de considerar: el momento en que la piedra se suelta en el punto A y el momento que impacta en el suelo en el punto B.Sea M la masa de la piedra, g la aceleración de gravedad, h la altura desde la cual es soltada y X la velocidad con que impacta en el suelo, calculemos la energía mecánica total en cada uno de estos puntos.
EMA = ECA + EPA
Como la piedra se suelta desde el punto A, en dicho punto no tiene velocidad inicial y por tanto su energía cinética inicial también es cero, por tanto queda:
EMA = EPAEMA = Mgh
Por otra parte, la energía en el punto B es:
EMB = ECB + EPB
Cuando la piedra llega al punto B que está en el suelo (su altura
es nula), no tiene energía potencial, por tanto sólo escribimos:
EMB = ECBEMB = MX2 / 2
La conservación de la energía nos indica que ésta se mantiene constante, por lo tanto
EMB = EMAECB = EPA
por lo cual podemos escribir:
1 MX2= Mgh.2
Despejando X encontramos: X =
calculando encontramos que: X =
ENERGIA POTENCIAL
La Energía potencial es la energía que tiene un cuerpo situado a una determinada altura sobre el suelo. Ej.: El agua embalsada, que se manifiesta al caer y mover la hélice de una turbina.
La energía potencial, Ep, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg), la aceleración de la gravedad, g, en metros/segundo-cuadrado (m/s2) y la altura, h, en metros (m).
La energía potencial la consideramos como la suma de las energías potencial gravitatoria y potencial elástica, por lo tanto:
Ep = Epg + Epe
Energía potencial gravitatoria (Epg)
Es la que tienen los cuerpos debido a la gravedad de la tierra. Se calcula multiplicando el peso por la altura. Se suele considerar que a una altura cero la Epg es cero, por lo tanto se calcula como:
Epg = P h
Epg = m g h
P = Peso
h = Altura
m = Masa
g = Aceleración de la gravedad
Epg = Energía potencial gravitatoria
Energía potencial elástica (Epe)
Es la energía acumulada en un cuerpo elástico tal como un resorte. Se calcula como:
K = Constante del resorte
Δx = Desplazamiento desde la posición normal
Epe = Energía potencial elástica
ENERGIA CINETICA
La Energía cinética es la energía asociada a los cuerpos que se encuentran enmovimiento, depende de la masa y de la velocidad del cuerpo. Ej.: El viento al mover las aspas de un molino.
La energía cinética, Ec, se mide en julios (J), la masa, m se mide en kilogramos (kg) y la velocidad, v, en metros/segundo (m/s).
Es la energía que tiene un cuerpo debido a su velocidad. Se calcula como:
m = Masa del cuerpo
v = Velocidad a la que se desplaza
Ec = Energía cinética
