Energía mecánica total
Un ejemplo de sistema mecánico: Un satélite orbita alrededor de la Tierra influenciado únicamente por la fuerza gravitatoria conservadora; su energía mecánica se conserva, por tanto. La aceleración del satélite está representada por el vector verde y su velocidad por el vector rojo. Si la órbita del satélite es una elipse, la energía potencial del satélite y su energía cinética varían con el tiempo, pero su suma permanece constante.
En ciencias físicas, la energía mecánica es la suma de la energía potencial y la energía cinética. El principio de conservación de la energía mecánica establece que si un sistema aislado está sometido únicamente a fuerzas conservativas, la energía mecánica es constante. Si un objeto se mueve en la dirección opuesta a una fuerza neta conservativa, la energía potencial aumentará; y si la velocidad (no la rapidez) del objeto cambia, la energía cinética del objeto también cambia. En todos los sistemas reales, sin embargo, habrá fuerzas no conservativas, como las fuerzas de fricción, pero si son de magnitud despreciable, la energía mecánica cambia poco y su conservación es una aproximación útil. En las colisiones elásticas, la energía cinética se conserva, pero en las colisiones inelásticas parte de la energía mecánica puede convertirse en energía térmica. La equivalencia entre la pérdida de energía mecánica (disipación) y el aumento de la temperatura fue descubierta por James Prescott Joule.
Unidad de energía mecánica
Como hemos comentado en el apartado anterior, las fuerzas hacen que los objetos se muevan. Cuando una fuerza neta que actúa sobre un sistema físico tiene una componente en la dirección de su movimiento, se produce un trabajo. Recordando el modelo de energía-interacción, cuando se realiza trabajo la ecuación 1.2.1 se convierte en
Cuando se empuja una caja por el suelo, se realiza un trabajo sobre la caja y ésta se acelera. La energía cuyo indicador es la velocidad se conoce como energía cinética, que depende tanto de la velocidad como de la masa de la siguiente manera:
Volviendo a la figura 2.3.2 podemos calcular la velocidad final de la caja después de haber sido empujada durante una distancia d con una fuerza de magnitud F utilizando el modelo de energía-interacción. Suponiendo que la caja parte del reposo, el diagrama de Energía-Interacción para esta situación tiene el siguiente aspecto:
Suponiendo que la fuerza es constante a lo largo de la distancia d, y utilizando la definición de trabajo de la ecuación 2.3.2, encontramos \ (W=Fd\). La energía cinética inicial es cero, ya que \(v_i=0\), y \(KE_f=\frac{1}{2}mv^2\). Introduciendo esto en la ecuación de conservación de la energía de la figura anterior, \(KE_f-KE_i=W\) obtenemos:
Tipos de energía mecánica
Un niño está sentado en un trineo en la cima de una colina de 17 metros. El peso combinado del niño y el trineo es de 42 kg, y el niño se desliza colina abajo con una velocidad inicial de 18,263 m/s. Determina la energía mecánica total.
Después de leer el problema, podemos identificar la altura de la colina, la masa combinada del niño y el trineo, y la velocidad. También sabemos que se trata de energía potencial gravitatoria y energía cinética de traslación.
Un bloque de 8 kg unido a un muelle sobre una mesa sin fricción oscila en movimiento armónico simple. En un instante determinado, la distancia del bloque al punto de equilibrio del muelle es de 30cm( 0,03m), la constante del muelle es de 35 N/m, y el bloque tiene una velocidad de {eq}6,27 \Nveces 10^{-2}{/eq} m/s. Determina la energía mecánica total en este instante.
Después de leer el problema, podemos identificar la masa del bloque, la compresión o elongación del resorte, la constante del resorte y la velocidad del bloque. También sabemos que se trata de energía potencial elástica y energía cinética de traslación.
Fórmula de la energía potencial
Energía cinéticaLos vagones de una montaña rusa alcanzan su máxima energía cinética cuando se encuentran en la parte inferior del recorrido. Cuando empiezan a subir, la energía cinética empieza a convertirse en energía potencial gravitatoria. La suma de la energía cinética y potencial del sistema se mantiene constante, sin tener en cuenta las pérdidas por rozamiento.Símbolos comunesKE, Ek o TSI unidadjulio (J)Derivaciones de otras magnitudesEk = 1/2mv2
Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta su velocidad establecida. Al haber ganado esta energía durante su aceleración, el cuerpo mantiene esta energía cinética a menos que su velocidad cambie. El cuerpo realiza la misma cantidad de trabajo al desacelerar desde su velocidad actual hasta un estado de reposo. Formalmente, una energía cinética es cualquier término del Lagrangiano de un sistema que incluye una derivada con respecto al tiempo. [2][3]
El adjetivo cinético tiene sus raíces en la palabra griega κίνησις kinesis, que significa “movimiento”. La dicotomía entre energía cinética y energía potencial se remonta a los conceptos de actualidad y potencialidad de Aristóteles[4].