Conservación de la energía mecánica

La energía se conserva en un sistema

No sé ustedes, pero necesito comer una cierta cantidad de comida todos los días para sentirme bien. Comemos porque los alimentos que ingerimos nos proporcionan energía, ya que se descomponen dentro de nuestro cuerpo.

En última instancia, esta energía proviene del sol y las plantas la convierten en energía química que luego comemos. Incluso si solo come otros animales, las plantas siguen siendo parte de su dieta porque en algún lugar de la cadena alimentaria, algo o alguien se comió una planta.

En este sentido, la energía que originalmente provenía del sol se convierte y pasa a través del sistema biológico de la Tierra. Lo sorprendente es que esta cantidad de energía es siempre la misma: no hay creación ni destrucción de energía a medida que pasa a través del sistema. Cuando un animal come una planta, lleva esa energía a su cuerpo. Si ese animal es devorado por otro animal, la energía de la planta se transfiere nuevamente. El segundo animal no «produce» nueva energía; simplemente lo pasa.

¿Qué pasa cuando ese animal muere? Devuelve esa energía al suelo y la recicla a través de todo el sistema terrestre en otra forma más. De hecho, para cualquier sistema, la cantidad total de energía nunca aumenta ni disminuye, solo cambia de forma. Esta declaración define la ley de conservación de la energía y se aplica a todos los tipos de energía.

¿Qué entendemos exactamente por sistema ? Esta es una situación en la que no hay fuerzas externas en acción. Un sistema puede constar de varias cosas diferentes. A pequeña escala, un sistema puede ser algo tan simple como un péndulo oscilante. A gran escala, un sistema podría ser una estrella en explosión. Independientemente de lo pequeño, mediano o grande que sea el sistema, su energía puede cambiar de lugar o forma, pero la cantidad total de energía permanece igual.

Conservación en acción

La energía mecánica se presenta en dos formas principales: energía potencial , que es energía almacenada, y energía cinética , que es energía de movimiento. La energía potencial se denomina así porque es la energía que tiene el potencial de realizar un trabajo.

Sentarse en la parte superior de un tobogán, pararse en la parte superior de una pista de esquí y colocarse en el borde de un trampolín son ejemplos de energía potencial. Aún no se está moviendo, pero tiene el potencial para hacerlo.

Una vez que desciende por el tobogán, la pista de esquí o sobre el borde del trampolín, esa energía se convierte de potencial a cinética. Esto se debe a que ahora está en movimiento y la energía ha cambiado de hacer un trabajo potencialmente a hacerlo realmente.

En estos escenarios, usted es el sistema y su energía se convierte de potencial a cinética a medida que se pone en movimiento. Si se detiene al final del tobogán, la colina o en el agua, la energía cinética se convierte nuevamente en energía potencial porque ha dejado de moverse. Independientemente de dónde se encuentre en estas situaciones, la cantidad de energía en la parte superior, a través del movimiento y en la parte inferior es la misma, solo que se ve un poco diferente.

Sin embargo, la conversión no es repentina, y podemos ver esto si miramos un auto de montaña rusa. A medida que el automóvil (el sistema) sube a la cima de la primera colina, se está trabajando en él, por lo que hay una buena cantidad de energía cinética mientras el automóvil sube a la cima. Una vez en la cima, hay una gran cantidad de energía potencial porque el automóvil ha subido muy alto. A medida que el automóvil se pone en marcha cuesta abajo, esa energía potencial (potencial para realizar un trabajo) se convierte en energía cinética (energía para realizar un trabajo). Durante el otoño, la energía potencial se vuelve cada vez menor y la energía cinética se vuelve cada vez más. En la parte inferior, la energía cinética es muy alta y la energía potencial es muy baja.

Después de subir la segunda cima, la energía cinética se transforma nuevamente en energía potencial, es decir, hasta que el automóvil desciende la segunda colina, en cuyo caso esa energía potencial se convierte nuevamente en energía cinética. Esto sigue y sigue a medida que la montaña rusa viaja a lo largo de la pista.

Fuerzas externas en el sistema

En ausencia de fuerzas de resistencia como la fricción, el vagón de la montaña rusa podría continuar de esta manera indefinidamente porque no habría pérdida ni ganancia de energía para el sistema. La misma cantidad de energía potencial y cinética se transferiría de un lado a otro, y después de un tiempo, ¡probablemente desearía haber subido a un viaje diferente!

Pero el automóvil finalmente se detiene porque, de hecho, hay fuerzas externas que actúan sobre los sistemas. Por ejemplo, el vagón de la montaña rusa experimenta fricción a medida que avanza por la pista. La fricción ralentiza el automóvil porque la energía del sistema del automóvil se pierde en forma de calor al rozar la pista. Esto significa que a medida que avanza, hay cada vez menos energía para seguir subiendo en cada cumbre sucesiva.

Esta es la misma razón por la que su cuerpo no puede mantenerse con una sola comida para siempre. Las células de su cuerpo trabajan duro todo el tiempo y gran parte de la energía que ingiere se pierde en forma de calor. Esto significa que necesita un suministro constante de energía porque está constantemente «quemando» la energía que impulsa los procesos celulares.

En este sentido, podemos ver que un sistema también puede ser parte de otros sistemas más grandes. El coche de montaña rusa es su propio sistema, pero también es parte del sistema de montaña rusa en general. Nuestros cuerpos son un sistema, pero también son parte del sistema de la Tierra.

Y, mientras no existan fuerzas externas que actúen en ningún sistema individual, la cantidad total de energía sigue siendo la misma. Para el sistema de montaña rusa, la energía del automóvil y la energía perdida como calor de fricción siempre sumarán la misma cantidad de energía total. Su cuerpo en la Tierra absorbe energía de otras fuentes, pero también devuelve energía al sistema terrestre en general, manteniendo la cantidad total igual.

Resumen de la lección

La ley de conservación de la energía establece que para cualquier sistema, la energía no se puede crear ni destruir; solo puede cambiar de una forma a otra o transferirse de un objeto a otro. A menudo, la parte más complicada de esto es definir qué es un sistema. En general, un sistema es una situación en la que no actúan fuerzas externas. Esto podría ser algo tan pequeño como una célula en su cuerpo o tan grande como la Tierra y todos sus componentes.

Esta ley se aplica a todas las formas de energía, incluida la energía mecánica. La energía mecánica se presenta en dos formas: energía potencial , que es energía almacenada, y energía cinética , que es energía de movimiento. A menos que los objetos experimenten una fuerza externa como la fricción, la suma de energía potencial y cinética siempre será la misma sin importar cuánto se mueva o no se mueva el objeto.

Si fuerzas externas como la fricción actúan sobre el sistema, la energía se puede perder en forma de calor. Sin embargo, dado que un carro de montaña rusa también es parte del sistema de montaña rusa en general, esta ‘pérdida’ de energía es realmente solo una transferencia de energía a otro objeto dentro del sistema más grande y abarcador.

Los resultados del aprendizaje

Después de esta lección, debería tener la capacidad de:

• Describir la ley de conservación de la energía y cómo definir un sistema.
• Diferenciar entre los dos tipos de energía mecánica: cinética y potencial.
• Explicar cómo las fuerzas externas afectan la energía en un sistema.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador