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LA
ENERGÍA |
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La energía es uno de los grandes problemas del mundo actual. La necesitamos
para todo, es cara y a veces contamina su obtención y uso. Pero, ¿qué es la
energía?
Es algo que necesitamos para que todo funcione. Sin energía el móvil no
funciona, los coches no se mueven y las personas no son capaces de hacer
nada. Para que todo funcione, para que haya cambios en las cosas,
necesitamos energía.
Si algo tiene energía puede producir cambios, por eso podemos definir la
energía como la capacidad que tiene un cuerpo para producir cambios.
Puede ser un cambio de posición, un cambio de temperatura o un cambio de
forma.
El coche necesita gasolina, para que se queme en el motor y se transforme
en movimiento. El móvil necesita la electricidad de la batería para que
funcione. El cuerpo necesita alimento para que los músculos se muevan.
Hagamos un experimento sencillo. Imagina que tenemos un libro sobre la
mesa, está en reposo, y por mucho que esperemos sabemos que no va a ocurrir
nada. No parece que tenga energía, ya que si hay energía se pueden
producir cambios. Luego levanta el libro sobre la mesa una distancia de un
metro, supón que tuviste que hacer una fuerza constante de 1 newton. En
física a desplazar un cuerpo por acción de una fuerza le llamamos trabajo.
Y es una forma de darle energía a un cuerpo. Tampoco parece que ahora tenga
energía, lo tenemos parado a un metro de la mesa. La diferencia es que
ahora lo podemos soltar y si cae sobre la mesa si se producen cambios, se
mueve, hace ruido, hasta se puede romper. Por tanto le hemos dado energía
en forma de trabajo.
El trabajo es la energía que adquieren los cuerpos cuando los
desplazamos por acción de una fuerza.
El trabajo es el producto de la fuerza aplicada en la
dirección del movimiento por el desplazamiento producido.
La fuerza la medimos en N, y el desplazamiento en m, su producto es
una unidad que denominamos Julio, J, que es la unidad de energía
en el Sistema Internacional. Esta unidad lleva ese nombre en honor al
físico inglés James Prescott Joule (1818-1889).
Un julio es el trabajo que realiza una fuerza de un newton cuando
desplaza un cuerpo una distancia de un metro.
Hay otra forma de darle energía a un cuerpo. Por ejemplo calentarlo.
Ponemos un cazo con agua al fuego de la cocina, al poco tiempo el agua
adquiere más temperatura, se calienta, podemos decir que gana energía,
ahora puede producir cambios, como por ejemplo cocer unas patatas, o
quemarnos si esta entra en contacto con nuestra piel.
El calor es la energía que adquieren los cuerpos cuando aumentamos su
temperatura.
El calor se puede medir en calorías. Una caloría, cal, es el
calor que hay que proporcionar a un gramo de agua para que su temperatura
aumente un grado centígrado. 1000 cal sería el calor que hay que
proporcionar a un kilogramo de agua para que su temperatura aumente un grado
centígrado, que es la definición de kcal. La energía que nos
proporcionan los alimentos la solemos dar en kcal, fíjate en las etiquetas
de los alimentos.
Pero la caloría no es la unidad de energía en el Sistema
Internacional de unidades, esa unidad es el Julio. La
equivalencia entre julios y calorías es:
Esta equivalencia se la debemos a James Prescott Joule
que la descubrió con un experimento que es un clásico de la física:
Vídeo: Equivalente mecánico del calor - Experimento de Joule, de ProCiencia
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TIPOS
DE ENERGÍA |
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La energía es una magnitud única, pero podemos hablar de
diferentes formas o tipos de energía en función de los cambios en los
que participan.
Cuando los cuerpos cambian su estado de movimiento hablamos de energía
mecánica. Esta energía mecánica puede ser energía cinética
cuando un cuerpo se mueve con cierta velocidad, o energía potencial
en función de la posición que ocupe dentro de un campo gravitatorio o
electrostático.
Hablamos de energía térmica a la ligada a los cambios de temperatura
de los cuerpos. Energía química la energía que tienen las
sustancias que les permite reaccionar para dar otras sustancias nuevas. Energía
eléctrica y energía magnética relacionada con el
movimiento de cargas eléctricas en la materia. Energía nuclear
a la que permite que los átomos se rompan en las centrales nucleares
para obtener energía. Todas estas energías se conocen también como energía
interna de la materia.
La energía también se puede transmitir como ondas
electromagnéticas como energía radiante, del Sol por ejemplo. Que es la
energía que mantiene la vida sobre la Tierra.
Pero con todo recuerda que la energía es un concepto único aunque
lo podamos encontrar en diferentes situaciones.
En nuestra vida diaria necesitamos energía. Si tenemos el móvil
descargado no funciona, lo ponemos a cargar. Estamos transformando
energía eléctrica en energía química de la batería. Cuando la
batería está cargada aprovechamos esa energía química almacenada
para producir energía eléctrica que haga funcionar los circuitos del teléfono.
Poco después de levantarnos desayunamos para que nuestro organismo
aproveche la energía de los alimentos. La forma más fácil de obtener
energía de los alimentos es a través de los hidratos de carbono, por
eso en el desayuno no deben faltar los cereales, tostadas o similares.
Estudiarás que la almacena de una forma muy inteligente en moléculas
energéticas, de ATP, que el organismo utiliza cuando necesita energía.
Cuando vamos al instituto usamos el bus o el coche que también
transforman la energía química de los combustibles en energía
mecánica de movimiento. Como ves todas las acciones rutinarias de
nuestra vida necesitan energía, y en ellas esta energía se va
transformando de unas formas en otras.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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CONSERVACIÓN
DE LA ENERGÍA |
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Observa este vídeo sobre la conservación de la energía:
Seguramente hay cosas que no entiendes todavía. No te preocupes, algunas
ideas si nos pueden ir quedando para más adelante cuando profundicemos más
en el tema. Por ejemplo, que la energía se transforma de unas formas en
otras. Pero no hay pérdidas en esta transformación. La energía no se
destruye, pero tampoco se crea.
¿Por qué nos cuesta tanto entonces la energía? Pues porque no todas
las formas de energía son igualmente útiles. Unas las aprovechamos mejor
que otras, y no todas se transforman con igual eficacia. Por ejemplo, es
fácil obtener calor de la corriente eléctrica, pero no es tan fácil
obtener energía eléctrica del calor.
Para entender mejor que la energía se conserva estudiemos el caso de las
energías implicadas en el movimiento, lo que conocemos como energía
mecánica. Veremos que la energía mecánica también se conserva en los
movimientos.
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ENERGÍA
CINÉTICA |
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En el estudio de los movimientos intervienen energías
asociadas a los cuerpos. Pensemos en un coche en movimiento, la energía debida al movimiento
le permite realizar cambios en otros cuerpos, como cuando, por
desgracia, choca con
otro. Estos impactos son más graves cuando el vehículo va a más
velocidad, por tanto debe haber alguna relación entre la velocidad y su
energía. Esta energía debida a la velocidad la denominamos energía cinética.
La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo por el
hecho de estar en movimiento.
Fíjate que la energía cinética es proporcional a la masa del
cuerpo, cuanta más masa tenga más energía puede comunicar, pero
también es proporcional al cuadrado de la velocidad, de forma que
cuando la velocidad se duplica la energía se cuadriplica, imagina el
incremento del riesgo en la conducción cuando nos excedemos en la
velocidad.
En unidades del SI, cuando la masa está en kg y la velocidad
en m/s la energía cinética viene dada en J.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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ENERGÍA
POTENCIAL GRAVITATORIA |
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Los cuerpos también sufren fuerzas por estar en un lugar
determinado. Por ejemplo un cuerpo en un punto cualquiera de un campo
gravitatorio sufre una fuerza de atracción. También sufre fuerzas de
atracción y repulsión un cuerpo cargado en un campo eléctrico, o un
cuerpo magnetizado en un campo magnético. Esta energía que tienen los
cuerpos dependiendo de su posición se denomina energía potencial.
La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo debido a
la posición que ocupa en un campo gravitatorio.
Dentro de un campo gravitatorio los cuerpos siempre tienen esta
energía. Cuando un cuerpo está en reposo no es fácil deducir esta
energía, piensa en un libro que está sobre una mesa. Pero imagina que
está en equilibrio sobre el borde de la mesa. Si cae esa energía que
tenía, digamos en potencia, de ahí lo de potencial, se pone de
manifiesto moviendo el cuerpo hacia la Tierra. La energía potencial
depende de la altura que alcanza el cuerpo sobre el punto al que pueda
caer dicho cuerpo. Tendremos que tener siempre en cuenta esta referencia
del punto más bajo al que cae el cuerpo.
En unidades del SI, cuando la masa está en kg, g en m/s2
o N/kg y la altura en m la energía potencial viene dada
en J.
Vídeo: ¿Qué es y cómo se GENERA la ENERGÍA CINÉTICA?, de
EcologíaVerde
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
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ENERGÍA
MECÁNICA |
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La suma de la energía cinética y la energía potencial se
denomina energía mecánica.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
Cuando un cuerpo cae libremente, o desliza sin fuerzas de rozamiento,
es decir, cuando sólo actúa la fuerza del peso su energía mecánica se conserva.
Cuando la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es el
peso la energía mecánica se conserva.
¿Qué ocurre cuando una pelota cae libremente desde una determinada
altura? Si suponemos nulas las fuerzas de rozamiento del aire la
energía potencial en el punto más alto es máxima, pues es máxima la
altura. Su energía cinética será nula pues aun está en reposo.
Cuando desciende un poco su energía potencial también disminuye al
disminuir la altura. Pero la energía cinética aumenta, al
incrementarse la velocidad. Cuanto más descienda más disminuye la
energía potencial y más aumenta la energía cinética.
En cada punto del camino de descenso la suma de la energía potencial
y energía cinética es constante.
En el punto más bajo la energía potencial es nula, pues no hay altura,
y la energía cinética es máxima, pues la velocidad es máxima.
Sabemos que al llegar al suelo, si el choque es elástico, la
pelota rebota y alcanza la misma altura desde la que cayó. Si no
alcanza la misma altura, alcanza una altura menor, es porque parte de la
energía la pierde al deformarse al entrar en contacto con el suelo y se
disipa en forma de calor.
La conservación de la energía es uno de los tres grandes principios
de conservación en los que se basa la física, los otros dos son la
conservación de la cantidad de movimiento y la conservación del momento
angular. En el siguiente vídeo os presento el péndulo de Newton, un
juego que encierra mucha física. Fíjate que cuando separas una bola en
un lado se mueve otra bola en el extremo contrario. Le damos energía
potencial a la bola, que al caer se convierte en cinética, y esta se
transmite a través de las bolas a la última, que vuelve a transformar la
energía cinética en potencial, ascendiendo la misma altura desde la que
dejamos caer la primera. Pero lo más curioso es lo que ocurre cuando
separamos dos bolas y las dejamos caer, dos bolas tienen el doble de
masa, y por tanto el doble de energía potencial, podemos pensar que se
conservará la energía moviéndose la última bola con más velocidad, pero
no ocurre esto sino que se separan también dos bolas, las bolas parecen
adivinar cuantas dejamos caer desde el otro extremo. Esto ocurre porque
se conserva también el momento, o cantidad de movimiento, que es el
producto de la masa por la velocidad, no te preocupes porque lo
estudiarás en próximos cursos.
EJERCICIOS
PARA PRACTICAR
Observa la siguiente simulación, en ella puedes comprobar como la
energía mecánica se conserva. Si hay fuerzas de rozamiento la energía
mecánica se va convirtiendo en energía calorífica.
SIMULACIÓN:
ENERGÍA MECÁNICA, en phet.colorado.edu
1º experimento: En el apartado Introducción marca Gráfico
de barras y Velocidad. Coloca al patinador en la pista.
Observa que al descender aumenta la velocidad. En el punto más alto la
energía potencial es máxima, y en el punto más bajo la energía
cinética es máxima. Observa también que la energía total se
conserva.
2º experimento: En el apartado Fricción marca Gráfico
de barras
y Velocidad. Coloca al patinador en la pista. Observa que al haber
rozamiento el patinador no alcanza la misma altura en cada paso por el
punto más alto. Su energía potencial disminuye. Como también
disminuye la energía cinética, pues cada vez pasa a menor velocidad
por el punto más bajo. Que pasa con esa energía que se pierde, pues
que se transforma en calor. Observa también que la energía total se
conserva, al final toda la energía mecánica se convirtió en calor.
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