ENERGIA CINETICA Y POTENCIAL



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  Antes de entrar a explicar la energía cinética y potencial, empezaremos haciendo un breve resumen de lo que es la energía en general.

  ¿Que es la Energía?

  La energía es la propiedad o capacidad que tienen los cuerpos y sustancias para producir transformaciones a su alrededor. Durante las transformaciones la energía se intercambia mediante dos mecanismos: en forma de trabajo o en forma de calor.

energia


  Esta energía se degrada (convierte) y se conserva  en cada transformación, perdiendo capacidad de realizar nuevas transformaciones, pero la energía no puede ser creada ni destruida, sólo transformada, por lo que la suma de todas las energías en el universo es siempre constante. Un objeto perderá energía en una transformación, pero esa pérdida de energía irá a parar a otro sitio, por ejemplo se puede transformar en calor.

  En definitiva la energía es la capacidad de realizar cambios o trabajo. Un ejemplo, si un coche se mueve es por que tiene energía, que se la proporciona la gasolina cuando la quemamos en el motor, por eso se mueve. ¡La gasolina tiene energía!, energía que transformamos para que se mueva el coche.

  Explicación de los Cambios o Energía

  Como ves en ejemplo la energía de la gasolina se ha transformado en movimiento en el coche, no se ha perdido, se ha transformado. Una parte de esa energía se habrá perdido en forma de calor y de rozamiento del coche con el asfalto. El computo total de energía= movimiento coche + calor + rozamiento será igual a la energía que tenía la gasolina. Por eso podemos decir que:

  "La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma"

  Una vez que la gasolina ha perdido su energía, esta, ha pasado al coche y al aire en forma de calor. Como ves aunque la gasolina ya no tenga energía, esa energía solo se ha transformado, no se ha destruido.

  La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo.

  La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica.

  En física, energía es la capacidad que tiene un cuerpo para producir trabajo, o también, la fuerza que produce un trabajo.

  La energía se pude presentar en la naturaleza de diferentes formas transformables entre sí: energía térmica, mecánica, química, eléctrica, nuclear y electromagnética entre otras.

  Por ejemplo la energía eólica es la energía contenida en una corriente de aire, y que es capaz de soplar la vela de un barco o de mover las aspas de un aerogenerador, generando trabajo.

  En física hay un tipo de energía muy importante, la energía mecánica, también conocida como energía motriz o del movimiento y es la energía que mueve todo: los coches, el viento, las olas o los planetas...

  Pero este tipo de energía es la suma de otras dos: la energía potencial y la energía cinética, que son las que estudiaremos aquí.

  Em = Ep + Ec
 
  All final veremos más sobre este tipo de energia y como se calcula.

   ¿Como Medimos la Energía?

  La unidad en el sistema internacional es el Julio, en honor de James P.Joule.

  Cuando hablamos de energía calorífica se suele utilizar la caloría. Una caloría es la cantidad de calor necesaria para elevar en un grado la temperatura de un gramo de agua. 1 Julio = 0,24calorias.

  Para expresar múltiplos de estas unidades se utilizan los prefijos Kilo (K), que equivale a 1000 unidades; Mega (M), que equivale a 1.000.000 de unidades, etc.

   Energía Cinética


  Es la energía que poseen los cuerpos que están en movimiento. Un coche si está parado y lo ponemos en movimiento, quiere decir que ha adquirido una energía de algún sitio y que se ha transformado en movimiento. Esta energía que tiene ahora es una energía potencial o de movimiento.

energia cinetica

  Los cuerpo adquieren energía cinética  al ser acelerados por acción de fuerzas, o lo que es lo mismo, cuando se realiza un trabajo sobre ellos.

   Para calcular la energía cinética de un cuerpo (siempre estará en movimiento) será:

energia cinetica

  Donde "m" es la masa del cuerpo, objeto o sustancia expresada en Kilogramos y "v" su velocidad en metros/segundo. Si ponemos la masa y la velocidad en estas unidades el resultado nos dará la energía en Julios.

  Ejercicio: Calcula la energía cinética de un coche de 860 kg que se mueve a 50 km/h.

   Primero pasaremos los 50Km/h a m/s  ===> 13,9m/s. Ahora es bien fácil, solo hay que aplicar la fórmula:

  Ec = 1/2 860Kg x 13,92m/s = 83.000Julios
  

   Energia Potencial


  Se dice que un objeto tiene energía cuando está en movimiento, pero también puede tener energía potencial, que es la energía asociada con la posición del objeto.

  A diferencia de la energía cinética, que era de un único tipo, existen 3 tipos de energía potencial: potencial gravitatoria, potencial elástica y potencias eléctrica.

   Energía Potencial Gravitatoria

  Es la que se poseen los objetos por estar situados a una cierta altura. Si colocas una ladrillo a 1 metro de altura y lo sueltas, el ladrillo caerá al suelo, esto quiere decir que al subirlo a 1 metros el ladrillo adquirió energía. Esta energía realmente es debido a que todos los cuerpos de la tierra estamos sometidos a la fuerza gravitatoria. Si lo colocamos a 2 metros el ladrillo habrá adquirido más energía que a 1 metro, es decir depende de la posición del ladrillo, por eso es energía potencial.

  ¿Cómo calculamos la energía potencial? Pues es muy sencillo, solo hay que aplicar la siguiente fórmula:

energia potencial gravitatoria

  Donde "m" es la masa en Kilogramos, "g" el valor de la gravedad (9,8m/s2 ) y "h" la altura a la que se encuentra

 expresada en metros. Con estas unidades el resultado nos dará en Julios.


  Fíjate que si el cuerpo se encuentra en el suelo (superficie terrestre) h=0, su energía potencial gravitatoria será 0 Julios.

  Un ejemplo más de este tipo de energía sería una catarata. El agua en la parte de arriba tiene la posibilidad de realizar trabajo al caer, por eso decimos que tiene energía, más concretamente energía potencial.

  ¿Qué pasa cuando el agua cae? Pues que va adquiriendo velocidad y perdiendo altura, es decir va adquiriendo energía cinética y perdiendo energía potencial. Justo cuando el agua llega a la parte de abajo toda la energía potencial que tenía se habrá transformado en energía cinética (velocidad) que podrá desarrollar un trabajo al golpear en las palas de la central hidráulica.

  Como ves la energía cinética y la potencial gravitatoria, muchas veces, están relacionadas:

energia cinetica y potencial

  Ejercicio: ¿Qué energía potencial tiene un ascensor de 800 Kg en la parte superior de un edificio, a 380 m sobre el suelo? Suponga que la energía potencial en el suelo es 0.

   Se tiene el valor de la altura y la masa del ascensor. De la definición de la energía potencial gravitatoria:

  Epg = (800 Kg)*(9.8 m/s^2)*(380 m) = 2,979,200 J = 2.9 MJ (megaJulios)

   Si quieres ver más ejercicios resueltos visita este enlace: Ejercicios de Energia Potencial.

  Energía Potencial Elástica

  Es la energía que se libera cuando un muelle o un resorte que estaba comprimido, se suelta. La energía que tendrá dependerá de la deformación sufrida por el muelle, más deformación quiere decir más energía. Esta energía se puede utilizar para desarrollar trabajo, por ejemplo para impulsar una pelota.

potencial elastica

   ¿Cómo calculamos la energía potencial elástica? Usamos la siguiente fórmula:

energia potencial elastica

  Donde "K" es una constante elástica característica de cada muelle medida en N/m (newtons partido por metros) y "x" es la longitud que adquiere el muelle o el desplazamiento o deformación desde la posición normal medido en metros (estiramiento del muelle). Con estas unidades el resultado será en Julios.

  Ejercicio: Una fuerza de 540 N estira cierto resorte una distancia de 0.150 m ¿Qué energía potencial tiene el resorte cuando una masa de 60 Kg cuelga verticalmente de él?

problema resorte

  Solución:

   Para conocer la energía potencial elástica almacenada en el resorte, se debe conocer la constante de fuerza del resorte y su deformación causada por el peso de la masa de 60 Kg.

   Una fuerza de 540 N estira el resorte hasta 0.150 m. La constante de fuerza es:

  k = Fe / x = 540 N / 0.150 m = 3600 N / m.

  Luego, la deformación x del resorte causada por el peso del bloque es:

  x = Fe / k = (m*g) / k

  x = ((60 Kg)*(9.8 m/s^2)) / (3600 N/m) = 0.163 m

  La energía potencial elástica almacenada en el resorte es:

  Epel = 1/2 * (3600 N/m) * (0.163 m)^2 = 47.82 J

  Energia Potencial Electrica

  Si tenemos un objeto con un potencial eléctrico (tensión) y está dentro de un campo eléctrico. Concretamente la definición sería: Energía potencial eléctrica de una carga, en un punto de un campo eléctrico, es el trabajo que realiza el campo eléctrico cuando la carga se traslada desde ese punto al infinito.

  Fíjate en la siguiente imagen. Tenemos una carga dentro de un campo eléctrico. Si el campo eléctrico es cero, la carga no se moverá, ahora en el momento que conectemos la pila, se activará el campo eléctrico y la carga se moverá, es decir el campo ha proporcionado energía a la carga, esta es la energía potencial eléctrica.

potencial electrica

  Un objeto puede tener energía potencial eléctrico en virtud de dos elementos clave: su propia carga eléctrica y su posición relativa a otros objetos cargados eléctricamente.

  Un ejemplo: una carga ejercerá una fuerza sobre cualquier otra carga y la energía potencial surge del conjunto de cargas. Por ejemplo, si fijamos en cualquier punto del espacio una carga positiva Q, cualquier otra carga positiva que se traiga a su cercanía, experimentará una fuerza de repulsión y por lo tanto tendrá energía potencial.

energia potencial electrica

  En la imagen también vemos la fórmula de la Energía Potencial Eléctrica.

  Resumiendo, es la que esta en la pila, o en la batería, o en el mismo enchufe y que al ser utilizada se transforma en energía eléctrica.

  En electricidad, normalmente es mas conveniente usar la energía potencial eléctrica por unidad de carga, llamado potencial eléctrico, voltaje o tensión.

  Esta fórmula dice que la energía potencial es positiva cuando las cargas tienen el mismo signo (se repelen) y negativa cuando tienen signos opuestos (se atraen, y se dice que el sistema está ligado).

   Ejercicio: Dos cargas q1 y q2 de -5mC y -3mC se encuentran separadas en el vacío una distancia de 50 cm. Posteriormente la distancia es de 1 m. Sabiendo que q1 está fija y q2 es móvil, calcular la energía potencial inicial y final de q2.

energia potencial electrica ejercicio

  

   Energía Mecánica


  Como ya sabemos es la suma de la cinética y la potencial. En cualquier sistema para calcular la energía mecánica solo tendríamos que calcularlas por separado y al final sumarlas. Fíjate en la imagen siguiente.

energia mecanica

  Cuando está arriba parado solo tiene energía potencial gravitatoria. Cuando empieza ha descender, como en la imagen, empieza a ganar velocidad y por tanto energía cinética y  a perder potencial porque pierde altura. En un punto como en el que está en la figura, ya empezó a descender, tendrá una energía cinética y una potencial, es decir tiene una energía mecánica, que será la suma de las dos como ya vimos:

  Em = Ep + Ec



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