La energía total y la energía mecánica tienen rangos diferentes.
La energía cinética es la suma de la energía de traslación, K, y la energía potencial, U. Cuando una masa m se mueve con una velocidad v, entonces K = ½mv², y en un campo gravitatorio constante, se representa como U = mgh. La altura de referencia para la energía potencial puede establecerse arbitrariamente, y cualquier cambio físico se determina por la diferencia de altura.
Si solo actúa una fuerza de restauración, como la gravedad, entonces K + U permanece constante. Sin embargo, si existe fricción o colisión inelástica, parte de la energía mecánica puede convertirse en energía interna o sonido. Esto no significa que cuando la energía mecánica disminuye, la energía total desaparece.
La energía potencial asociada con la caída libre y un péndulo se transforma en energía cinética.
Para una pelota que cae desde el reposo a través de una altura h sin resistencia del aire, mgh = ½*mv² implica v = √(2*gh). La masa se cancela, por lo que la velocidad de llegada es la misma para la misma altura de caída. La ecuación de energía no proporciona directamente el tiempo transcurrido, pero permite comparar rápidamente los estados inicial y final.
La oscilación tiene una velocidad de 0 en sus extremos, y alcanza su velocidad máxima en el punto más bajo. Un resorte ideal no realiza trabajo porque su tensión es perpendicular a la dirección del movimiento. La amplitud real disminuye debido a la transferencia de energía mecánica del sistema a energías circundantes e internas.
En circuitos y aplicaciones de calentamiento, se determina la movilidad utilizando la potencia.
La potencia P es la energía transferida por unidad de tiempo. Con potencia constante, E = Pt y 1 W = 1 J/s. La potencia de una resistencia, P = VI, indica la rapidez con la que la energía eléctrica se transforma en calor u otras formas. Si toda esa energía calienta un objeto sin pérdidas, Pt = mcΔT.
Siempre verificamos cómo se definen los límites del sistema. Si solo observamos un solo objeto, se pierde energía debido al fricción. Sin embargo, cuando incluimos el objeto y la superficie sobre la que se encuentra, podemos calcular un aumento en la energía interna. El proceso de mantener un registro de energía también es útil para encontrar pérdidas o errores de medición que podrían haberse pasado por alto durante los experimentos.
Relaciones y símbolos clave
K = ½mv² · U = mgh · K + U = constante (solo realizan trabajo fuerzas conservativas) · E = Pt
| Símbolo | Significado | Unidad |
|---|---|---|
| K, U, E | Energía cinética, potencial y transferida | J |
| m | masa | kg |
| v | Rapidez | m/s |
| P | Potencia | W |
Ejemplo resuelto
Si un objeto de 2 kg cae desde una altura de 5 m, ¿qué ocurre?
Cuando g = 9.8 m/s², la energía potencial gravitatoria disminuida es de 98 J. Si no hay fricción, la energía cinética aumenta en esa cantidad, resultando en una velocidad final de √98 ≈ 9.90 m/s. Sin embargo, si existe fricción, parte de la energía se convierte en calor, lo que puede ralentizarlo.
Errores frecuentes
- Incluso en colisiones inelásticas, donde la energía cinética se reduce, la energía total no se viola.
- La potencia es la tasa de transferencia de energía, y no la energía en sí.
Explorar este concepto con experimentos
Por favor, explique la razón por la que los objetos con la misma masa, pero que se sueltan desde la misma altura, alcanzan la misma velocidad de llegada, utilizando la energía.
Colisiones en una dimensiónCompare si la energía cinética cambia incluso si el coeficiente de restitución se modifica, de manera que la cantidad de movimiento se mantenga igual.
Período del pénduloObserve la relación entre la energía potencial y la velocidad en los extremos y en el punto más bajo.
Plano inclinado y rozamientoAnalicemos cómo una porción de la energía mecánica se transforma en otras formas en una pendiente con fricción.
Calor específico y temperaturaConecte la potencia disponible y la energía obtenida a lo largo del tiempo con los incrementos de temperatura.
Ley de OhmCalcule la potencia a partir del voltaje y la corriente, y distinga las unidades de potencia de las unidades de energía.
Inducción electromagnéticaAl crear una corriente inducida, considere el trabajo externo requerido y cómo se relaciona con la ley de Lenz.