Energía y trabajo

La energía es uno de los conceptos más importantes y a la vez ambiguos de la física; Afortunadamente, la relación entre la energía y el trabajo puede ayudar en la comprensión de muchos problemas de física.

La energía, particularmente la energía mecánica, a menudo se define como la capacidad de realizar un trabajo, es decir, de ejercer una fuerza neta sobre un objeto que hace que se mueva una cierta distancia. La energía mecánica puede venir en forma de energía dependiente de la posición, conocida como energía potencial, y energía dependiente del movimiento, llamada energía cinética. Mientras que la energía potencial y cinética de un objeto se pueden convertir entre sí, la ley de conservación de la energía dicta que la energía total de un sistema aislado permanezca constante.

Este video presentará el principio de trabajo-energía, discutirá los conceptos de energías cinéticas y potenciales, y utilizará la ley de conservación de energía para relacionar estas energías en un experimento que involucra planeadores que se deslizan por una pista.

Si bien existen numerosos tipos de energía, la energía mecánica ilustra más claramente la idea de que la energía es la capacidad de realizar un trabajo. Un ejemplo de ello es cuando una bala de cañón vuela contra una pared de ladrillos.

En este caso, un cuerpo, la bala de cañón, trabaja sobre un objeto, la pared, ejerciendo una fuerza neta y haciendo que el objeto se mueva una cierta distancia. El trabajo se define como el producto escalonado de la fuerza aplicada y la distancia recorrida. Esta fuerza aplicada debe estar en la dirección del desplazamiento para que se realice el trabajo, es decir, solo el componente de fuerza paralelo al desplazamiento puede realizar el trabajo.

Ahora bien, podemos relacionar el trabajo con la energía mecánica, que está formada por la energía cinética y la energía potencial. Un cuerpo en movimiento de un lugar a otro, como la bala de cañón, tiene energía cinética de traslación y la capacidad de hacer trabajo.

Supongamos que aceleramos la bala de cañón desde una velocidad inicial de vi hasta una velocidad final de vf, un proceso gobernado por una ecuación de la cinemática. Este evento requiere que una fuerza neta constante, impulsada por la segunda ley de Newton, se aplique a una cierta distancia. Al combinar las dos ecuaciones, y observar que la energía cinética de traslación se define como ?mv2, está claro que el trabajo realizado en la bala de cañón, que es Fnet por D, es igual a la diferencia en las energías cinéticas final e inicial. Este es el principio trabajo-energía.

Cuando se trata de energía potencial, una roca al borde de un acantilado tiene una gran energía potencial gravitatoria. Tras su liberación, tiene el potencial de realizar trabajos sobre el terreno. Este trabajo potencial depende de la masa de la roca, la aceleración debida a la gravedad y la altura de la caída. Y este trabajo es igual a la energía potencial antes de la caída, o Pi.

Según la ley de la conversación, la energía se puede convertir durante un evento, pero la energía total del sistema debe permanecer igual. Por lo tanto, la suma de las energías potencial y cinética iniciales debe ser igual a la suma de las energías finales. La velocidad inicial y la energía cinética de la roca son cero, mientras que su altura final y su energía potencial también son cero. Por lo tanto, la energía potencial gravitacional inicial es igual a la energía cinética de traslación final. Usando nuestras ecuaciones anteriores, se pueden trazar varias relaciones entre la velocidad, la altura, la masa y la energía.

Ahora que has aprendido el principio de la energía de trabajo y la ley de conservación de la energía, veamos cómo se pueden aplicar estos conceptos a un experimento que involucra energía mecánica.

Este experimento consiste en un sensor de velocidad, una pista de aire, unos bloques de aluminio idénticos, un planeador, algunos pesos que se pueden agregar al planeador, una báscula, suministro de aire y una regla.

Coloque el planeador en la báscula y registre su masa. Conecte el suministro de aire a la pista de aire y enciéndalo Mida la altura de uno de los bloques de aluminio y anótelo en el cuaderno del laboratorio. Coloque el bloque de aluminio debajo del pie de la pista de aire que se encuentra más cerca del suministro de aire. Esta será la configuración de altura más baja.

Coloque el parapente en su posición inicial y suéltelo del reposo. Usando el sensor de velocidad, registra la velocidad del planeador a medida que pasa por la posición final en la pista. Repita este procedimiento cinco veces y calcule la velocidad promedio.

Coloque un bloque de aluminio adicional debajo de la pista de aire elevando la configuración de altura. Mida la diferencia entre hi y hf como antes y verifique que sea el doble de la altura de un bloque de aluminio. Repita el conjunto de mediciones de velocidad para esta configuración de altura.

Coloque un bloque de aluminio final debajo de la pista de aire, suponiendo que la diferencia de altura es ahora tres veces la altura del bloque y repita las mediciones de velocidad. A continuación, coloque algunos pesos para aumentar la masa del planeador y luego repita el experimento para medir las velocidades a las tres alturas diferentes.

Utilizando las ecuaciones derivadas del principio de energía-trabajo, se pueden calcular las energías potencial y cinética para cada corrida teniendo en cuenta las unidades para cada una de las variables. Las diferencias de energía potencial para las distintas alturas se enumeran en la columna PE de la tabla. Como se esperaba, la energía potencial del sistema aumenta con el aumento de la altura y la masa más pesada, lo que indica un mayor potencial para realizar el trabajo.

Los valores de la energía cinética de traslación también se encuentran en la tabla de la columna KE. Similar a la energía potencial, la energía cinética es mayor para el planeador más pesado y, sin embargo, las velocidades finales del planeador más pesado son las mismas que las del planeador más ligero. Esto se ve claramente en la ecuación que relaciona las energías donde la velocidad es solo una función de la altura. Además, la velocidad aumenta a una velocidad proporcional a la raíz cuadrada de la altura, como se esperaba.

De acuerdo con la ley de conservación de energía, las columnas KE y PE en la tabla deberían ser iguales, y casi lo son. Las discrepancias en los dos conjuntos de valores provienen de errores en las mediciones realizadas, que se estiman en alrededor del 10% para este tipo de experimento.

Las aplicaciones que involucran el principio de trabajo-energía son ubicuas e involucran todas las diferentes formas de energía.

Las montañas rusas son un ejemplo perfecto de conversión mecánica de energía. La enorme montaña rusa se eleva inicialmente a una gran altura frente a una pendiente pronunciada. La energía potencial sustancial obtenida en la parte superior de la pendiente se convierte en energía cinética para el resto del viaje. Durante el viaje, la montaña rusa experimenta un intercambio constante de energía potencial y cinética.

Las reacciones químicas también exhiben conversión de energía, con la energía que normalmente se intercambia entre la energía potencial química y la energía térmica. Si la reacción es exotérmica, la energía potencial se emite en forma de calor al medio ambiente, mientras que lo contrario es cierto para las reacciones endotérmicas. Algunas reacciones exotérmicas pueden ser explosivas, generando así energía cinética que actúa en su entorno.

Acabas de ver la introducción de JoVE a Energy and Work by Force. Ahora deberías entender tanto el concepto como la importancia del principio de trabajo-energía y cómo la ley de conservación de la energía puede relacionar las energías potenciales y cinéticas. ¡Gracias por mirar!