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Principio de Conservación de la Energía

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Principio de Conservación de la Energía

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Energía

La energía es una propiedad que está relacionada con los cambios o procesos de transformación

en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. La forma de

energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su

transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo.

Ambos conceptos permiten estudiar el

movimiento de los cuerpos de forma más

sencilla que usando términos de fuerza y

constituyen, por ello, elementos clave en

la descripción de los sistemas físicos.

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El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámica como

teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición

y velocidad. Es posible, no obstante, describir la condición de un cuerpo en movimiento

introduciendo una nueva magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante

el concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una etapa avanzada

del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de una forma por lo general más

simple.

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En el lenguaje ordinario energía es sinónimo de fuerza; en el lenguaje científico, aunque están

relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes. Algo semejante

sucede con el concepto de trabajo, que en el lenguaje científico tiene un significado mucho más

preciso que en el lenguaje corriente.

El movimiento, el equilibrio y sus

relaciones con las fuerzas y con

la energía, define un amplio

campo de estudio que se conoce

con el nombre de mecánica.

La mecánica engloba la cinemática o descripción del movimiento, la estática o estudio del

equilibrio y la dinámica o explicación del movimiento. El enfoque en términos de trabajo y energía

viene a cerrar, pues, una visión de conjunto de la mecánica como parte fundamental de la física.

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El término energía es probablemente una de las palabras propias de la física que más se

nombra en las sociedades industrializadas. La crisis de la energía, el costo de la energía, el

aprovechamiento de la energía, son expresiones presentes habitualmente en los diferentes

medios de comunicación social. ¿Pero qué es la energía?

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La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas

materiales. La naturaleza es esencialmente dinámica, es decir, está sujeta a cambios: cambios

de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado físico, por

ejemplo. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios materiales y que indefectiblemente

los acompaña; ese algo constituye lo que se entiende por energía.

La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual

éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros

originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o

biológico sería posible. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados

con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe.

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Un embalse no sólo es un depósito de agua

útil para el riego, la alimentación, los

servicios, etc., sino que también es un

depósito de energía. El agua, al descender

hasta el nivel del río, cede su energía

potencial, que se transforma finalmente en

energía eléctrica. Ésta es una forma barata

de almacenar energía. Constituye el

fundamento de la producción de energía

hidroeléctrica.

En las horas en que baja el consumo de energía eléctrica (horas valle), algunas centrales utilizan la

propia energía que generan en bombear de nuevo agua del rio al embalse, va que no es rentable

pararlas

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La locomotora eléctrica, cuando se

desplaza, posee una energía

cinética tanto mas elevada cuanto

mayor sea la velocidad y la masa que

arrastre. Esta energía cinética la ha

adquirido consumiendo en sus

motores energía eléctrica, que ha

sido transportada de la central a

través del tendido eléctrico.

No todas las líneas ferroviarias están electrificadas. En las líneas no electrificadas suelen utilizarse

locomotoras diesel. El metro es un tren eléctrico.

Las energías potencial y cinética constituyen en conjunto la energía mecánica.

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La resolución de problemas numéricos de Dinámica puede plantear dificultades al intentar aplicar

las leyes o principios de Newton. Estas dificultades disminuyen utilizando el concepto de energía y

las relaciones entre los distintos tipos de energía.

Físicamente el resultado es el mismo, porque las relaciones de la energía cinética y la energía

potencial se obtienen a partir de las leyes de Newton. Pero la capacidad de cálculo a través de la

magnitud energía es mucho mayor.

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El concepto de energía puede aplicarse en la resolución de diferentes problemas numéricos,

como, por ejemplo:

cuando el sistema de fuerzas sea complicado y la aplicación directa de los

principios de Newton ofrezca dificultades.

cuando todas o algunas de las fuerzas no se conozcan.

Si trataras de resolver este problema con los conocimientos adquiridos hasta ahora

encontrarías dificultades, porque el niño se mueve primero en un plano inclinado, luego en otro

horizontal y de nuevo en otro inclinado con distinto ángulo de inclinación, y las fuerzas F que

actúan varían en cada caso.

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La energía potencial de un sistema material procede de un trabajo que se ha realizado sobre él.

Energía potencial es la que poseen los cuerpos en virtud de la posición que ocupan.

La energía que poseen los cuerpos a causa de su movimiento se llama energía

cinética.

Si sobre un sistema no actúan fuerzas exteriores, su energía permanece constante.

(Principio de conservación de la energía)

El trabajo que se realiza sobre un sistema sirve para modificar la energía cinética y

potencial de dicho sistema.

Esquema de Contenidos

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Así, por ejemplo, un cuerpo colocado a una determinada altura

dentro del campo gravitatorio terrestre tiene una energía

potencial (energía potencial gravitatoria) debida a la gravedad;

un cuerpo colgado colocado en un campo eléctrico tiene una

energía potencial debida a las fuerzas eléctricas que actúan

sobre él (energía potencial eléctrica); un resorte comprimido

tiene una energía potencial del da a la fuerza recuperadora que

tiende a devolverlo a su forma normal (energía potencial

elástica), etc.

Energía Potencial Concepto y tipos

Se llama energía potencial la energía que tiene un cuerpo

que es situado en un campo de fuerzas, en virtud de la

posición que ocupa dicho campo.

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Energía Potencial Gravitatoria

Cuando un cuerpo de masa que estaba inicialmente en el suelo levantamos hasta una altura h,

estamos realizando un trabajo. levantamos el cuerpo verticalmente y despreciamos la resisten del

aire, el valor de este trabajo vendrá dado por:

La energía potencial gravitatoria es la capacidad que tiene un cuerpo de realizar trabajo, en

virtud de la posición que ocupa dentro campo gravitatorio.

mghhPsFW coscos21

El trabajo que hemos realizado no se ha perdido; al contrario, cuerpo ha adquirido una energía

potencial numéricamente igual trabajo que ha sido necesario para desplazarlo. La energía

potencial gravitatoria que tiene un cuerpo de masa m que se encuentra reposo y situado a una

altura h sobre el nivel del suelo, viene dada por la siguiente fórmula…

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Cuando el cuerpo caiga del punto 2 al 1, perderá su energía potencial y realizará un trabajo.

cumpliéndose que:

mghE potencial 221 pEW y

La diferencia entre 1 y 2 es que el primero ha de ser realizado en contra del campo, y el segundo lo

realiza el campo gravitatorio. Se consideran de distinto signo.

Al calcular la energía potencial de un cuerpo, siempre es necesario definir cuál es el sistema de

referencia que se está considerando.( convenio, la energía potencial de un cuerpo se calcula con

respeto al nivel más bajo que el cuerpo puede alcanzar en el problema concreto que se está

estudiando).

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Si queremos calcular el aumento de energía potencial experimentado por un cuerpo cuando dicho

cuerpo se sube desde el punto 1 ha el punto 2, este aumento vendrá dado por:

2112 mghmghEEE ppp

donde h = h2 - h1, siendo h1 y h2 las alturas que ocupa el cuerpo los puntos 1 y 2.

211212 WWEE pp

Es la energía que posee un muelle y por la cual puede realizar un trabajo, depende de una

constante característica de cada muelle y del su desplazamiento.

2

2

1KxE potencial

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Supongamos que sobre un cuerpo de masa m, inicialmente en reposo, actúa una fuerza F, de tal

manera que el cuerpo comienza moverse. Cuando el cuerpo haya recorrido una distancia s, ha

adquirido una velocidad.

Sobre este cuerpo se ha realizado un trabajo y, como consecuencia de ello, el cuerpo ha adquirido

una energía cinética. Si prescindimos del rozamiento, la energía cinética adquirida por el cuerpo es

igual trabajo que se ha realizado sobre él.

Todos los cuerpos que no están en reposo poseen una cantidad E energía debida a su movimiento.

Esta energía se conoce como energía cinética.

Se llama energía cinética la capacidad de realizar trabajo que tiene cuerpo en movimiento, en

virtud de la velocidad de dicho cuerpo.

Energía cinética = Trabajo realizado

Energía Cinética.

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Calcularemos el valor de esta energía suponiendo que la fuerza F que actúa sobre el cuerpo

es constante, tanto en módulo como en dirección y sentido, siendo la dirección de dicha

fuerza la misma que dirección en la que se mueve el cuerpo. Según esto, el trabajo realizado

por esta fuerza será:

22

212

1

2cos mvs

s

vmsamsFW

Es decir, la energía cinética que adquiere un cuerpo que se encuentra en reposo, cuando se

efectúa un trabajo W sobre él, es igual a la mitad del producto de la masa de dicho cuerpo por el

módulo de la velocidad que adquiere dicho cuerpo elevada al cuadrado.

2

2

1mvEcinética

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Cuando un cuerpo aumenta su velocidad, aumenta también su energía cinética, mientras que,

cuando un cuerpo disminuye su velocidad, disminuye su energía cinética.

En el primer caso, para conseguir un aumento de energía cinética habrá sido necesario efectuar

un trabajo sobre el cuerpo, mientras que en el segundo, la disminución de energía cinética se

produce porque el cuerpo ha realizado un trabajo igual a la pérdida de energía cinética que ha

experimentado.

Matemáticamente, esto se expresa así:

inicialEfinalEW cc

Si la velocidad de un cuerpo se duplica, la energía cinética de dicho cuerpo se hace cuatro

veces mayor.

Cuando la energía cinética final es mayor que la energía cinética inicial, se está realizando un

trabajo sobre el cuerpo. Por el contrario, cuando la energía cinética final es menor que la energía

cinética( inicial, es el cuerpo el que está realizando el trabajo.

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