La energía mecánica nos rodea en el mundo natural y en las máquinas que construimos. Mira a tu alrededor, y la energía mecánica se encuentra en todas partes.
Hay muchos tipos de energía mecánica, desde un adolescente montando en bicicleta hasta la escuela secundaria y una bola de demolición demoliendo una casa.
Siga leyendo y descubra más sobre la energía mecánica.
¿Qué Es la Energía Mecánica?
Primero, consideremos qué es la energía. La energía es la capacidad de hacer trabajo. Hay muchas formas de energía, y la energía mecánica es una de ellas.
La energía mecánica se define como la capacidad de un objeto para trabajar. La cantidad de trabajo que un objeto puede hacer depende de dos cosas: su posición y su movimiento.
Necesitamos entender más acerca de cómo la posición y el movimiento de un objeto afectan su energía antes de analizar más a fondo la energía mecánica.
¿Qué Es La Energía Potencial?
La energía potencial es la energía de posición, también llamada energía almacenada. Su energía existe debido a la posición de los objetos en relación entre sí. Es decir, la energía del objeto cambia cuando la posición del objeto cambia o cuando el objeto se mueve de posición.
Por ejemplo, un libro en el suelo tiene relativamente poca energía potencial, tiene una capacidad mínima para moverse por sí mismo o interactuar con otros objetos inmóviles o en movimiento. Ahora, levantemos ese libro y balancéelo en el borde de un estante. Tiene mucha más energía potencial en este punto. ¿Por qué? Porque el libro podría caerse y aplastar a un insecto que pasa, o lastimarse el dedo del pie, o hacer un fuerte golpe cuando golpea el suelo.
Hemos dado el libro energía potencial gravitacional. El libro se sostiene en posición vertical junto al estante. Las fuerzas gravitacionales de la Tierra han dado al libro su energía de posición almacenada, o energía potencial. Supongamos que la masa del objeto es mayor. En ese caso, cambie el libro por una mancuerna de 10 libras — la energía potencial gravitacional del objeto también aumenta.
Hay una segunda forma de energía potencial relacionada con la energía mecánica llamada energía potencial elástica. Esta es energía potencial que se almacena en un objeto que se puede comprimir o estirar.
Piense en un arquero estirando hacia atrás la cuerda elástica de un arco. La cuerda tensada tiene energía potencial elástica. Una vez liberada, la cuerda elástica impulsará una flecha hacia adelante.
Las energías potenciales gravitacionales y elásticas son energías de posición y factores igualmente importantes cuando se habla de energía mecánica.
¿Qué Es La Energía Cinética?
La energía cinética se refiere a la energía del movimiento y el movimiento. Piense en nuestro ejemplo del libro, equilibrado en un estante, lleno de energía potencial.
Si el libro cae al suelo, tiene energía cinética durante su caída: la energía del libro cambia de la energía potencial a la energía cinética (movimiento). Es lo mismo con la flecha: su energía potencial en un arco dibujado se convierte en energía cinética cuando la flecha dispara y se mueve por el aire.
Entendiendo la Energía Mecánica, la Energía Potencial y la Energía Cinética
Como se mencionó, la energía mecánica es la capacidad de un objeto para hacer trabajo. También es la suma de la energía potencial de un objeto (gravitacional o elástico) y su energía cinética. Averigüemos cómo interactúan los tres.
La ley de conservación de la energía establece que la energía no puede ser creada ni destruida. La energía solo puede convertirse de una forma de energía a otra.
Esta ley es vital para la energía mecánica porque significa que podemos entender la fuerza neta de un sistema mecánico. Podemos calcular la energía mecánica de un objeto, porque la energía total (potencial + cinética) no cambia.
¿Cuáles Son los Ejemplos de Energía Mecánica?
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La vida cotidiana está llena de energía mecánica. Aquí cinco ejemplos:
- Una bola de demolición que derriba edificios tiene energía potencial cuando la bola pesada está colocada en la parte superior de su swing. Cuando la bola se libera, iniciando un movimiento circular, tiene energía cinética. Cuando la pelota golpea el edificio, aplica fuerza al edificio — energía mecánica — la capacidad de un objeto para hacer el trabajo. En este caso, el trabajo realizado es por la bola destruyendo el edificio.
- Las turbinas eólicas utilizan energía mecánica para convertir la energía eólica en energía eléctrica. La energía del viento funciona en las palas girándolas, lo que hace girar las turbinas que crean electricidad. El viento ha hecho que el trabajo se realice utilizando energía mecánica.
- Un ciclista de pie junto a su bicicleta tiene energía potencial química gracias a la comida en su estómago. Un proceso químico libera la energía química en los alimentos para permitir que el ciclista se suba a su bicicleta y aplique fuerza a los pedales. Pedalear es una forma de energía mecánica.
- De manera similar, una bola de bolos tiene más energía potencial una vez que la recogemos en la bolera. Una vez que lo lanzamos por el callejón, esa energía potencial se convierte en energía cinética. La pelota ahora tiene la capacidad de realizar «trabajo» en cualquier cosa que pueda encontrar. En este caso, lo hará (¡ojalá!) ser los alfileres. Es la energía mecánica la que desplaza los pasadores para lo que será un golpe.
- La energía nuclear proviene de plantas de energía que utilizan el calor de la fisión para activar generadores eléctricos para producir electricidad. El giro de los generadores es energía mecánica.
¿Cómo Se Calcula La Energía Mecánica?
La energía mecánica es la suma de la energía potencial de un objeto y la energía cinética de un objeto. Tanto la energía potencial como la energía cinética se miden en julios.
Podemos averiguar el potencial gravitacional de un objeto a través de esta fórmula: PE = mgh.
- PE es energía potencial
- m es su masa en kilogramos
- g es la aceleración gravitacional de la tierra (definida como 9.8 m/seg2)
- h es la altura del objeto sobre la superficie de la tierra en metros
Si sostenemos un martillo de cuatro kilogramos (8 libras, 13 onzas) a unos 1,5 metros (cinco pies) del suelo, su energía potencial sería:
PE = 4 (kg) x 9,8 x 1,5 = 58,8 julios.
La fórmula para la energía cinética es KE = ½ m v2.
- KE es energía cinética
- m es la masa del objeto
- v es la velocidad del objeto en metros por segundo
Vamos a golpear un clavo en la pared con nuestro martillo de cuatro kilogramos y supongamos que nos movemos a 20 metros por segundo (65 pies por segundo). Que da:
KE = 0.5 (½) x 4 (kg) x 20 (velocidad) al cuadrado = 800 julios.
La energía mecánica es PE + KE, dando al martillo 858 julios de energía mecánica.
Factores que afectan a la Energía mecánica de un objeto
La energía mecánica está sujeta a influencias externas que afectan a sus valores. En muchos ejemplos de energía mecánica, la energía se pierde cuando se completa el» trabajo».
No toda la energía cinética y potencial de un objeto siempre se convierte en energía mecánica. A menudo hay una filtración de energía.
¿Qué Es la Conservación de la Energía Mecánica?
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Imagine una montaña rusa que se mueve a lo largo de una vía recta, utilizando energía cinética. La montaña rusa tiene la cantidad exacta de energía para alcanzar la cima de una subida que se aproxima, deteniéndose en la cima donde permanece estacionaria. Su energía cinética se ha convertido en energía potencial.
Pulgada a pulgada, la montaña rusa culmina la cima y desciende por el otro lado. El potencial se ha convertido en una cantidad equivalente de energía cinética.
La energía mecánica total del coche de montaña rusa no ha cambiado durante los picos y descensos ni durante la conversión de energía cinética a energía potencial y de vuelta a energía cinética.
La energía del sistema se ha mantenido igual. Esto se llama el Principio de Conservación de la Energía Mecánica.
¿La Energía Mecánica se Ve Afectada por Fuerzas No Conservadoras?
El Principio de Conservación de la Energía Mecánica asume que la energía mecánica total de un objeto no cambia. (En nuestro ejemplo, esa sería la montaña rusa.) Ninguna otra fuerza actúa sobre él. Como tal, no se pierde energía ya que nuestra montaña rusa cambia su energía cinética por energía potencial.
Por supuesto, no todas las transferencias de energía son tan simples. Las fuerzas externas y las fuerzas de fricción juegan un papel en la ecuación, algo de ciencia física detrás de lo teórico. La energía puede perderse. ¿Cómo?
Las fuerzas de fricción, también conocidas como fuerzas no conservadoras, eliminan la energía del sistema. Estas fuerzas incluyen la resistencia del aire de la montaña rusa o la energía térmica perdida a medida que las ruedas calientan las orugas. El sistema no puede recuperar esta energía perdida.
¿Cuánta Energía Mecánica Se Pierde en una Colisión?
Las colisiones son otra forma en que la energía mecánica puede verse afectada. Hay dos tipos de colisiones.
Una colisión elástica es fácil de entender en términos de energía-no se pierde energía cinética en este escenario, y la energía del sistema sigue siendo la misma.
Imagine dos carros que viajan uno hacia el otro a la misma velocidad. Eventualmente, se chocan entre sí. La colisión los pone en una nueva dirección, pero sin pérdida de velocidad. Esta colisión se define como una colisión perfectamente elástica sin pérdida de energía cinética.
Una colisión tan elástica es probablemente poco realista en la vida real. Las colisiones entre átomos en gases son un mejor ejemplo de colisiones elásticas. La cuna de un Newton es quizás el ejemplo práctico más cercano de una colisión elástica, donde se pierde energía cinética insignificante a medida que las bolas giran hacia adelante y hacia atrás.
Una colisión inelástica ocurre cuando se pierde energía cinética en una colisión. Si esos dos carros chocan y luego continúan su viaje a una velocidad más lenta, entonces la energía cinética se ha perdido. Tal escenario es mucho más probable que una colisión elástica.
Si rebota una pelota y no rebota tan alto como la altura desde la que se cayó, eso es una colisión inelástica. Una bola de bolos chocando contra alfileres es una colisión inelástica porque la bola de bolos se ralentiza después del contacto.
¿Quién Descubrió Que La Energía Mecánica Podría Perderse?
James Prescott Joule, un físico, matemático y cervecero inglés, fue un descubridor aparentemente improbable de los efectos de la pérdida de energía en la energía mecánica.
Joule no tenía educación física formal, pero tenía un gran interés en la mecánica. Observó y estudió el calor generado a través de varias fuentes, incluyendo la agitación del agua por una paleta y la expansión de un gas en un vacío. La comprensión de Joule de que el calor podría ser creado por el trabajo mecánico cambió el pensamiento científico en el siglo XIX.
Su trabajo se convirtió en la columna vertebral del principio de conservación de la energía y la Primera Ley de la Termodinámica. Esta ley establece que el calor es una energía que no se puede crear o destruir, sino que se puede transferir o convertir en otro tipo de energía.
Comprender la definición de Energía mecánica
La energía mecánica es uno de los tipos de energía más comunes. Describe la capacidad de un objeto para realizar algún tipo de trabajo.
Vemos energía mecánica en acción todos los días a medida que recogemos objetos estacionarios y los hacemos realizar tareas para nosotros, desde disparar aros hasta tocar la guitarra.
La energía mecánica es la energía o potencia que los objetos tienen a través del movimiento o el cambio de posición.
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