Cálculo de cambios en la energía cinética y potencial de un sistema

Energía cinética

En un juego importante, Sarah lanza una pelota de baloncesto al aire y observa cómo sube y luego vuelve a bajar a las manos de su compañero de equipo. Mientras está en el aire, ¿la pelota tiene energía? ¡Sí, por supuesto que lo hace! Cuando un objeto, como la pelota de baloncesto, se mueve, tiene un tipo de energía llamada energía cinética.

Una pelota de baloncesto lanzada se mueve, por lo que tiene energía cinética.

La energía cinética es la energía del movimiento y la cantidad de energía cinética que posee un objeto depende de dos cosas: la masa del objeto y qué tan rápido se mueve. Esto significa que un objeto realmente pesado, como un automóvil, podría tener la misma energía cinética que un objeto ligero que se mueve rápidamente, como la pelota de baloncesto, incluso si el automóvil se mueve muy, muy lentamente.

Trabajo y energía cinética

¿Cómo se cambia la energía cinética de un objeto como la pelota de baloncesto? Probablemente puedas adivinar que necesitas seguir adelante, ¿verdad? Cuando Sarah quería lanzar la pelota, la empujaba con las manos, transfiriendo energía de su cuerpo a la pelota. Cuando se ejerce una fuerza sobre un objeto a una cierta distancia, decimos que se está trabajando en la pelota. La cantidad de trabajo realizado es siempre igual al cambio en la energía cinética del objeto.

Elegir un sistema

En física, un sistema incluye solo el objeto o los objetos cuyo movimiento desea considerar. En cualquier situación, puede elegir lo que desea incluir en el sistema, ¡y lo que elija incluir tendrá un gran impacto en cómo resolver el problema! Todo lo que no forma parte del sistema se considera parte de su entorno.

Aunque no lo definimos explícitamente en el ejemplo anterior, es bastante obvio que el sistema era solo la pelota de baloncesto porque ese era el objeto cuyo movimiento estábamos mirando. Como ya vimos, cuando el entorno (las manos del jugador de baloncesto) trabajaba en el sistema (la pelota), cambiaba la energía cinética de la pelota.

Sin embargo, ¿qué pasaría si elegimos un sistema diferente? ¿Y si incluyéramos tanto al jugador como al baloncesto en el sistema? Entonces, la fuerza ejercida entre las manos del jugador y la pelota está dentro del sistema y no hay fuerzas del entorno que actúen sobre la pelota. Entonces, ¿cómo cambia la energía cinética del sistema?

Cuando tiene un sistema que contiene varios objetos, la energía total dentro del sistema, conocida como energía interna , permanecerá sin cambios si ningún objeto en los alrededores realiza ningún trabajo en el sistema. Sin embargo, la energía cinética no es el único tipo de energía que puede tener un sistema. El sistema también puede tener energía potencial debido a la configuración de los objetos en el sistema.

Energía potencial

Aunque existen varios tipos de energía potencial, uno de los más comunes es la energía potencial gravitacional . En muchas situaciones, tiene sentido incluir la Tierra en el sistema junto con el objeto cuyo movimiento desea comprender. Esto se debe a que la Tierra siempre ejerce una fuerza gravitacional sobre cualquier objeto que se encuentre cerca de su superficie. Al incluir esta fuerza dentro del sistema, no tiene que preocuparse por calcular cuánto trabajo está realizando la Tierra sobre el objeto. En su lugar, puede calcular cuánta energía potencial gravitacional está contenida en el sistema y luego agregar esto a la energía cinética del objeto para determinar la energía interna total de todo el sistema.

La energía potencial gravitacional de un objeto depende de su peso y su altura actual.

Incluso si no se está moviendo, una pelota de baloncesto sostenida en el aire tiene energía potencial debido a su ubicación sobre la Tierra.

Transformaciones de energía dentro de un sistema

Recuerde que incluso si ninguna fuerza del entorno está trabajando en el sistema, la energía dentro del sistema puede cambiar de forma. Para ver esto en acción, sostenga una pelota y luego suéltela. ¿Que pasó?

Antes de soltar la pelota, tenía energía potencial porque la sostenías por encima del suelo, pero no tenía energía cinética porque no se movía. Sin embargo, tan pronto como lo dejaste pasar, esa situación cambió. A medida que la pelota cayó, la energía potencial del sistema se transformó en energía cinética, lo que hizo que la pelota se moviera cada vez más rápido a medida que caía. Finalmente, justo antes de que la pelota golpeara el suelo, toda su energía potencial original se había transformado en energía cinética. La energía total del sistema nunca cambió, ¡aunque el tipo de energía sí cambió!

Cuando la pelota se sostiene por encima del suelo, tiene energía potencial, pero no energía cinética. A medida que cae, la energía potencial se convierte en energía cinética. Justo antes de que llegue al suelo, toda la energía cinética inicial se habrá convertido en energía potencial.

¿Qué pasaría si la pelota rebotara en el suelo y volviera a subir? Entonces, la energía cinética de la pelota se transformaría nuevamente en energía potencial a medida que la pelota se desacelera y se mueve más y más alto.

Resumen de la lección

Los objetos tienen energía cinética siempre que se mueven. La energía cinética de un objeto depende de su masa y de la rapidez con que se mueve. Cuando un sistema contiene más de un objeto, también puede tener energía potencial , que es energía almacenada que depende de la posición de los objetos en el sistema. Un tipo importante de energía potencial es la energía potencial gravitacional , que es la energía que tiene un objeto debido a su posición con respecto a la Tierra.

Si otro objeto de los alrededores realiza trabajo en el sistema, la energía total del sistema cambiará. Sin embargo, si fuerzas externas al sistema no realizan ningún trabajo, la energía total del sistema permanece constante, aunque la energía puede cambiar de forma.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador