   |
|
|
|
CONCEPTO DE ENERXÍA |
|
Xa vimos cando estudamos as forzas que a forza pon de manifesto que hai unha
interación entre dous corpos. Cando interacionan dous corpos ás veces prodúcense
cambios e outras veces non, como cando os corpos mantéñense en equilibrio. Cando
se producen cambios nun corpo podemos explicalos a partir dunha magnitude que se
pode gañar ou perder, e que chamamos enerxía.
A enerxía é a capacidade que ten a materia para producir cambios.
A causa dos cambios son as interaccións entre os sistemas materiais,
pero para que se produzan estes cambios a materia debe ter enerxía.
Cando falamos de enerxía, igual que cando falamos de forza,
confundimos os conceptos físicos con expresións coloquiales da nosa vida
diaria que non sempre significan o mesmo. Por iso a importancia das
definicións en física. Verás que cando hai cambios os corpos gañan ou
perden enerxía, tamén poden intercambiar enerxía entre eles. Pero si non
teñen enerxía non poden realizar cambios.
|
|
TIPOS DE ENERXÍA |
|
A enerxía é unha magnitude única, pero podemos falar de diferentes
formas ou tipos de enerxía en función dos cambios nos que participan.
Cando os corpos cambian o seu estado de movemento falamos de enerxía
mecánica. Esta enerxía mecánica pode ser enerxía cinética
cando un corpo móvese con certa velocidade, ou enerxía potencial
en función da posición que ocupe dentro dun campo gravitatorio ou
electrostático. Falamos de enerxía térmica á ligada aos cambios
de temperatura dos corpos. Enerxía química a enerxía que teñen as
substancias que lles permite reaccionar para dar outras substancias
novas. Enerxía eléctrica e enerxía magnética relacionada
co movemento de cargas eléctricas na materia. Enerxía nuclear á
que permite que os átomos se rompan nas centrais nucleares para obter
enerxía. Todas estas enerxía coñécense tamén como enerxía interna
da materia. A enerxía tamén se pode transmitir como ondas
electromagnéticas, como enerxía radiante, do Sol por exemplo. Que
é a enerxía que mantén a vida sobre a Terra. Pero con todo recorda que
a enerxía é un concepto único aínda que o podamos atopar en diferentes
situacións. Na nosa vida diaria necesitamos enerxía. Se temos o móbil
descargado non funciona, poñémolo a cargar. Estamos transformando
enerxía eléctrica en enerxía química da batería. Cando a batería está
cargada aproveitamos esa enerxía química almacenada para producir
enerxía eléctrica que faga funcionar os circuítos do teléfono.
Pouco logo de levantarnos almorzamos para que o noso organismo
aproveite a enerxía dos alimentos. A forma máis fácil de obter enerxía
dos alimentos é a través dos hidratos de carbono, por iso no almorzo non
deben faltar os cereais, torradas ou similares. Estudarás que a almacena
dunha forma moi intelixente en moléculas energéticas, de ATP, que o
organismo utiliza cando necesita enerxía. Cando imos ao instituto
usamos o bus ou o coche, que tamén transforman a enerxía química dos
combustibles en enerxía mecánica de movemento. Como ves todas as accións
rutineiras da nosa vida necesitan enerxía, e nelas esta enerxía vaise
transformando dunhas formas noutras.
|
|
MATERIA E ENERXÍA |
Para estudar como se relaciona a materia coa enerxía
debemos facer algunhas precisións en forma de definicións.
Para estudar unha porción de materia falaremos de
sistema. Un sistema é unha parte do universo que illamos real ou
imaginariamente do resto do universo. Un bote de mermelada, unha
pota, unha habitación, un coche, poden ser exemplos de sistemas.
Nos sistemas distinguiremos entre:
-
Sistema aberto é un sistema que pode
intercambiar materia e enerxía coa contorna. Un vaso de auga
por exemplo.
-
Sistema pechado é un sistema que pode
intercambiar enerxía pero non materia coa contorna. Un bote
pechado por exemplo.
-
Sistema illado é un sistema que non pode
intercambiar nin materia nin enerxía coa contorna. Un termo
pechado por exemplo.
Un sistema pode conter unha certa cantidade de
enerxía e esta enerxía pódese intercambiar coa contorna só de dúas
formas, en forma de traballo ou en forma de calor. A
calor e o traballo son formas de enerxía en movemento, que pasan
duns corpos a outros. Non debemos dicir que un corpo ten calor,
senón que ten enerxía, a calor é unha enerxía que pode ceder ou
absorber un corpo. O mesmo podemos dicir do traballo. Dise que a
calor e o traballo son enerxías en tránsito.
Nun sistema illado a enerxía consérvase. Se o universo
considérase un sistema illado nel tamén se cumpre que a enerxía
consérvase. Por que temos tanto problema entón coa enerxía? Xa vimos que
para que as cousas funcionen a enerxía debe fluír duns corpos a outros e
transformarse dunhas formas noutras de enerxía. Pero non todas as formas
de enerxía son igualmente eficaces. En moitos procesos a enerxía
disípase en forma de calor, e esta enerxía térmica, debida á axitación
dos átomos e moléculas da materia é unha forma moi pouco útil de enerxía
como xa veremos.
EXERCICIOS
PARA PRACTICAR
|
|
TRABALLO E POTENCIA |
Xa vimos que o traballo é unha forma de ceder enerxía
a un corpo. Cando se cede enerxía en forma de traballo sempre
intervén unha forza.
Imaxina que temos un corpo en repouso, se queremos
producir un cambio sobre el debemos facer unha forza sobre o mesmo.
Pero ás veces a forza non é suficiente para movelo, entón non sofre
ningún cambio. Supón que facemos unha forza maior e movémolo neste
caso si sofre un cambio.
O traballo é a enerxía que se cede a un sistema
pola acción dunha forza que lle provoca un desprazamento.
Supoñamos que arrastramos un corpo facendo unha
forza na dirección do desprazamento:
O traballo mecánico é o produto da forza aplicada na dirección do
movemento polo desprazamento producido.
A forza medímola en N, e o desprazamento en m, o seu
produto é unha unidade que denominamos Joule, J, que é a
unidade de enerxía no Sistema Internacional. Esta unidade leva é nome en
honor ao físico inglés James Prescott Joule (1818-1889).
Un joule é o traballo que realiza unha forza dun
newton cando despraza un corpo unha distancia dun metro.
Se a forza que realiza traballo non ten a dirección
do desprazamento:
Debemos calcular a compoñente da forza na dirección do desprazamento
para calcular o traballo.
O traballo dános a cantidade de enerxía que se
transfire dun corpo a outro pero non nos informa de se esta
transferencia é moi rápida ou moi lenta. Das máquinas interésanos
que fagan traballo, pero que o fagan con suficiente rapidez, diso dá
conta a potencia.
A potencia é a relación entre o traballo
realizado e o tempo empregado en realizalo. Indícanos o
rápidamente que se realiza un traballo.
A unidade de potencia no sistema internacional é o vatio, W.
Recibe o nome en honor ao enxeñeiro e inventor escocés James Watt
(1736-1819) a quen debemos o desenvolvemento da máquina de vapor,
peza fundamental da primeira Revolución Industrial.
Un vatio (W) é a potencia dunha máquina que realiza
un traballo dun joule cada segundo.
Outra unidade de potencia é o cabalo de vapor
(CV), que se define como a potencia dunha máquina que eleva
unha masa de 75kg unha altura dun metro cada segundo:
EXERCICIOS
PARA PRACTICAR
|
|
ENERXÍA MECÁNICA |
No estudo dos movementos interveñen enerxías asociadas
aos corpos.
Pensemos nun coche en movemento, a enerxía debida ao
movemento permítelle realizar cambios noutros corpos, como cando,
por desgraza, choca con outro. Estes impactos son máis graves cando
o vehículo vai a máis velocidade, xa que logo debe haber algunha
relación entre a velocidade e a súa enerxía. Esta enerxía debida á
velocidade denominámola enerxía cinética.
A enerxía cinética é a enerxía que ten un corpo
polo feito de estar en movemento.
Fíxache que a enerxía cinética é proporcional á masa
do corpo, canta máis masa teña máis enerxía pode comunicar, pero
tamén é proporcional ao cadrado da velocidade, de forma que cando a
velocidade duplícase a enerxía se cuadriplica, imaxina o incremento
do risco na condución cando nos excedemos na velocidade.
En unidades do SI, cando a masa está en kg e
a velocidade en m/s a enerxía cinética vén dada en J.
Os corpos tamén sofren forzas por estar nun lugar
determinado. Por exemplo un corpo nun punto calquera dun campo
gravitatorio sofre unha forza de atracción. Tamén sofre forzas de
atracción e repulsión un corpo cargado nun campo eléctrico, ou un
corpo magnetizado nun campo magnético. Nestes casos eses corpos
tamén presentan unha enerxía debida á posición que ocupan nese campo
de forzas. Esta enerxía denomínase enerxía potencial.
A enerxía potencial é a enerxía que ten un corpo
debido á posición que ocupa nun campo gravitatorio.
Dentro dun campo gravitatorio os corpos sempre teñen
esta enerxía. Cando un corpo está en repouso non é fácil deducir
esta enerxía, pensa nun libro que está sobre unha mesa. Pero imaxina
que está en equilibrio sobre o bordo da mesa. Se cae esa enerxía que
tiña, digamos en potencia, de aí o de potencial, ponse de manifesto
movendo o corpo cara á Terra. A enerxía potencial depende da altura
que alcanza o corpo sobre o punto ao que poida caer devandito corpo.
Teremos que ter sempre en conta esta referencia do punto máis baixo
ao que cae o corpo.
En unidades do SI, cando a masa está en kg, g
en m/s2 ou N/kg e a altura en m a
enerxía potencial vén dada en J.
A suma da enerxía cinética e a enerxía potencial
denomínase enerxía mecánica.
Cando un corpo cae libremente, ou desliza sen forzas de rozamiento, é
dicir, cando só actúa a forza do peso a súa enerxía mecánica consérvase.
Cando a única forza que realiza traballo sobre un corpo é o peso a
enerxía mecánica consérvase.
Que ocorre cando unha pelota cae libremente desde unha determinada
altura? Se supoñemos nulas as forzas de rozamiento do aire a enerxía
potencial no punto máis alto vaise convertendo, a medida que descende,
en enerxía cinética. Esta enerxía cinética será máxima cando chegue ao
chan. A velocidade será máxima ao entrar en contacto co chan. Ao chegar
ao chan se o choque é elástico a pelota rebota e alcanza a mesma altura
desde a que caeu. Se non alcanza a mesma altura, alcanza unha altura
menor, é porque parte da enerxía pérdea ao deformarse ao entrar en
contacto co chan e disípase en forma de calor.
Observa a seguinte simulación, nela podes comprobar como a enerxía
mecánica consérvase. Se hai forzas de rozamiento a enerxía mecánica
vaise convertendo en enerxía calorífica.
SIMULACIÓN:
ENERXÍA MECÁNICA, en phet.colorado.edu
|
|
ENERXÍA MECÁNICA E
TRABALLO |
|
Se queremos elevar un corpo a determinada altura debemos facer un traballo
en contra da forza do peso. Temos que facer unha forza igual ao peso
pero de sentido contrario. Supoñamos que queremos elevar un corpo desde
a posición 1 á posición 2.
O traballo da forza contraria ao peso é igual á variación da enerxía
potencial. Cando facemos traballo en contra da forza do peso ese
traballo almacénase en forma de enerxía potencial.
Si non fixamos só no peso, o traballo do peso é igual a menos a
variación da enerxía potencial. Cando un corpo cae baixo a acción do seu
propio peso, o traballo que realiza o peso diminúe a súa enerxía
potencial, pois o leva das posicións máis altas ás máis baixas.
Supoñamos agora un corpo que desliza sobre un plano horizontal,
o traballo da forza resultante é igual á variación de enerxía cinética.
Supoñamos un corpo que pasa pola posición 1 con certa velocidade,
se facemos unha forza resultante ∑F sobre o corpo aumentará a súa
velocidade ata que alcance a posición 2.
Recordando a que era igual a aceleración e a distancia percorrida no
movemento uniformemente acelerado, o traballo da forza resultante é:
O traballo da forza resultante é igual á variación da enerxía
cinética.
EXERCICIOS
PARA PRACTICAR
|
|
PRINCIPIO DE
CONSERVACIÓN DA ENERXÍA MECÁNICA |
|
Na forza resultante imos separar a forza do peso de todas as demais
forzas, forzas de tración, rozamento, etc. Xa que logo, o traballo da
forza resultante será o traballo do peso por unha banda e o traballo das
demais forzas por outro.
Como sabemos que o traballo da forza do peso é igual a menos a
variación da enerxía potencial.
Xa que logo o traballo das forzas distintas do peso será igual á
variación da enerxía mecánica.
No caso que non actúen forzas distintas do peso a enerxía mecánica
dun corpo consérvase. Este enunciado coñécese como Principio de
conservación da enerxía mecánica.
Nos problemas fixarémonos en se actúa só o forza do peso, e neste caso
debemos tomar nota das alturas inicial e final e das velocidades inicial
e final do corpo.
EXERCICIOS
PARA PRACTICAR
|
|
|
|
