ENERGÍA

La mayor fuente de energía conocida es el Sol, del cual se deriva la mayoría de las formas de energía.

     Por ser indispensables en la vida cotidiana, en la industria y en la investigación, es necesario aprender a utilizar la energía en forma racional para conservar el medio en condiciones óptimas.

     Para estudiar los conceptos de la física es necesario tener claro su significado. En algunas ocasiones, la misma palabra no tiene el mismo significado en el lenguaje cotidiano que en el de la física, por ejemplo: masa, peso, energía, trabajo y potencia.

      Todas las actividades humanas implican energía y transformación de energía. Así se define energía en física como: algo que permite realizar actividades como estudiar, practicar algún deporte, trabajar, etcétera.

 

DIFERENTES FORMAS DE ENERGÍA

Energía mecánica, existen dos formas de energía mecánica:

  1. La energía potencial o de posición se debe a la altura a la cual se ha elevado un cuerpo. Por ejemplo, la energía potencial de un libro será mayor si está en la parte más alta de un librero que en su parte más baja. También al estirar una liga de hule (banda elástica) o cuando se comprime un resorte, éstos tienen energía potencial, debida a su arreglo molecular, cuyo resultado es una propiedad conocida como elasticidad.
  2. La energía cinética o energía de movimiento, como su nombre lo indica, se debe al movimiento de un cuerpo. Por ejemplo, mientras el libro cae desde la parte superior del librero se dice que la energía es de movimiento.
  • Energía térmica, Se puede producir por fricción o por la combustión de una sustancia.
  • Energía eléctrica, algunas fuentes de energía eléctrica pueden ser: una pila, una batería o un generador.
  • Energía radiante o energía electromagnética, comprende las ondas de radio y de televisión, la luz infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma de las radiaciones nucleares.
  • Energía química, proviene de la transformación de unas sustancias en otras. Los alimentos y los combustibles son las principales fuentes de esta forma de energía.
  • Energía nuclear, proviene de la fisión del núcleo de los átomos de algunos elementos como el uranio 235 o de la fusión de núcleos de átomos ligeros, como hidrógeno, deuterio, helio y litio.

     Casi toda la energía utilizada tiene su fuente en el Sol, que es el resultado de reacciones nucleares de fusión. Parte de esa energía se propaga como energía radiante a través del espacio a la velocidad de 300 000 km por segundo.

     Cuando la energía radiante llega a la Tierra se transforma en energía térmica. Gracias a la energía luminosa y térmica crecen las plantas, de las cuales se alimentan los animales y el hombre. El carbón, el petróleo y el gas natural son los restos fósiles de plantas y animales; es energía que se ha almacenado en la Tierra.

     La energía térmica evapora el agua de los mares, lagos y ríos. Posteriormente el agua cae como lluvia que corre desde los lugares altos hacia el mar. Las energía potencial y cinética de las corrientes de agua se pueden transformar en energía eléctrica.

     Unas capas de aire de la atmósfera se calientan y produciendo el movimiento de las capas frías (los vientos), cuya energía cinética se puede transformar en energía mecánica y en energía eléctrica.

     La energía se transforma de una forma a otra pero no puede ser creada ni destruida.

     Esta ley fue establecida por el físico alemán Herman Von Helmholtz (1821-1894) y se conoce como ley de conservación de la energía.

 

 ENERGÍA POTENCIAL Y ENERGÍA CINÉTICA

La materia en ciertas condiciones tiene la capacidad de hacer trabajo. Por ejemplo:

  • Un cuerpo pesado y suspendido a gran altura puede hacer trabajo sobre un pilote si se deja caer sobre él.
  • Un resorte comprimido puede disparar un proyectil.
  • Una caída de agua puede hacer trabajo al mover una turbina.
  • El cuerpo pesado y suspendido y el resorte comprimido tienen energía de posición, en tanto que la caída de agua tiene energía en movimiento.
  • Esta capacidad para hacer trabajo se llama energía.
  • La energía mecánica existe en dos formas: la energía de posición o energía potencial (Ep) y la energía de movimiento o energía cinética (Ec).
     Al tomar un martillo para clavar, se realiza lo siguiente:
  1. Al elevar el martillo una distancia se efectúa un trabajo sobre el martillo.
  2. La posición del martillo ha cambiado debido al trabajo realizado sobre él, o sea que la energía potencial del martillo ha aumentado respecto de su posición original (posición A). Entonces:

W = m g h

W = Ep

     Esta energía potencial (Ep) se transforma en energía cinética (Ec) cuando al bajar (al moverse) el martillo golpea al clavo, haciendo trabajo sobre éste. Un cuerpo con energía cinética hace trabajo sobre otro cuerpo cuando es detenido por éste o cuando se disminuye su velocidad.

 

 LA ENERGÍA Y LA TECNOLOGÍA

Los fenómenos que analizados son conocidos por todos; lo que se ha hecho es pensarlo considerando la propiedad llamada energía.

     Desde este punto de vista, se podrá entender cómo funcionan otros dispositivos y aparatos; por ejemplo: los muelles, que son cuerpos elásticos capaces de recobrar su forma original después de haber sido comprimidos, estirados o doblados; se utilizan para amortiguar un choque (topes de vagones, suspensiones de automóviles); para acumular rápidamente energía destinada a ser utilizada poco a poco (resortes de relojes, engrapados, juguetes, instrumentos registrados) o para regular oscilaciones (espiral de los relojes).

 UNIDADES DE ENERGÍA

Como la energía potencial consiste en el trabajo hecho sobre un cuerpo para levantarlo respecto a un nivel (que se escoge como cero), entonces:

El trabajo es: W = P · h

La energía potencial es: Ep = P · h

En donde el peso se mide en newtons y la altura en metros.

Entonces: [Ep] = N · m = joule

Por otra parte, y de acuerdo con los ejemplos vistos, es posible darse cuenta que la capacidad para realizar trabajo que tiene un cuerpo en movimiento –su energía cinética–, será mayor cuanto mayor sea:

su masa (m)

su velocidad (v)

Se puede demostrar que la energía cinética de un cuerpo está dada por la siguiente expresión:

En donde la masa se mide en kilogramos y la velocidad en metros sobre segundo. Obsérvese que la unidad de energía potencial y de energía cinética es igual a la unidad de trabajo.

     Ejemplo:

     Pedro deja caer una pelota cuya masa es de 0.425 kg (m = 0.425 kg) desde la ventana A de un edificio. La ventana se encuentra a 10 m de altura sobre el nivel del suelo.

  1. ¿Cuál será la velocidad de la pelota un instante antes de chocar contra el suelo?

    Solución: Para calcular la velocidad se utiliza la siguiente ecuación:

Como la velocidad inicial de la pelota es cero, entonces.

Al despejar queda: v = a t.

Datos:

v = ?

  1. ¿Cuál es el trabajo que realizó Pedro para subir la pelota desde el suelo hasta la ventana A?

     

    Solución: El trabajo es el producto de la fuerza por la distancia. O sea, el peso (m g) por la altura (h).

  1. ¿Cuál es la energía potencial de la pelota en la ventana A?

    Solución:

    Ep = m g h

    p = 41.65 joules

     

  2. ¿Cuál es la energía cinética de la pelota un instante antes de que choque con el suelo?

     

     De esta forma se demuestra que toda la Ep que tiene la pelota en la ventana A se ha transformado en Ec de la pelota antes de tocar el suelo. Analícese la siguiente tabla y véase las conclusiones

 

     Si no se toman en cuenta las fuerzas de fricción:

     La energía potencial + la energía cinética = constante

Ep + Ec = K

     Tomando en cuenta las fuerzas de fricción: Considerando el ejemplo anterior. Si se toma en cuenta la fuerza de fricción, la magnitud de la energía cinética es ligeramente menor, la diferencia se transforma en energía térmica, la suma de las energía potencial, cinética y térmica puede ser:

20.825 J + 19 J + 1.825 J = 41.65 J

Ep + Ec + ET = constante

      De esta forma se demuestra que en un sistema la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

 

Sistema de referencia

En el ejemplo que analizado, se considera que la altura es la distancia que existe entre un cuerpo y el nivel del suelo; es decir, se toma como nivel de referencia cero a la superficie de la Tierra, pero en realidad lo que interesa es la diferencia de energía potencial.

POTENCIA

En la industria no sólo es importante que se lleve a cabo el trabajo y conocer la energía que se utiliza, sino también el tiempo en que se puede hacer el trabajo y la rapidez con que se transforma la energía.

La unidad de potencia en el SI es el J/s. Esta unidad se denomina watt, en honor a James Watt, quien hizo importantes contribuciones al desarrollo industrial de su tiempo.

Si una máquina efectúa una cierta cantidad de trabajo en la mitad del tiempo que otra , la primera tiene el doble de potencia que la segunda.

El tiempo es la esencia de la producción industrial, por tanto, ingenieros y obreros se interesan no sólo en lo que una máquina puede hacer sino en el tiempo en que lo va a hacer.

 

UNIDADES DE POTENCIA

El watt es una unidad muy pequeña que corresponde al trabajo de 1 joule realizado en 1 segundo, por lo que en muchas ocasiones se usa el kilowatt.

103 watt = 1 kilowatt

Existe otra unidad que generalmente se utiliza para indicar la potencia de los motores. Esta unidad se denomina caballo de fuerza o de potencia hp (horse power).

1 hp = 745.7 watt

 

 

 

 

 

 

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