En Física usamos la palabra energía para describir una propiedad de los sistemas que permite explicar cambios, movimientos, transformaciones e interacciones. Por ejemplo, usamos el concepto de energía para analizar por qué un objeto puede moverse, por qué puede elevarse, por qué puede deformar un resorte o por qué puede producir luz.
La energía no es una “cosa” que se pueda ver directamente como vemos una pelota o una mesa. Es una magnitud física que usamos como parte de un modelo para describir y cuantificar lo que ocurre en un sistema. La energía no se crea ni se destruye, la energía puede transformarse de una forma a otra y también puede transferirse entre distintos cuerpos o sistemas.
Por ejemplo, cuando una pelota cae desde cierta altura, al principio tiene energía asociada a su posición respecto del suelo. A medida que cae, esa energía se transforma en energía asociada a su movimiento. En muchos problemas de Física vamos a estudiar estas transformaciones usando modelos matemáticos.
La energía cinética se calcula con la siguiente expresión:
Donde:
Esta ecuación muestra que la energía cinética depende de la masa y del cuadrado de la velocidad. Esto significa que si la velocidad aumenta, la energía cinética aumenta mucho. Por ejemplo, si la velocidad se duplica, la energía cinética se cuadruplica.
La energía potencial gravitatoria cerca de la superficie de la Tierra se calcula con la siguiente expresión:
Donde:
Esta ecuación muestra que la energía potencial gravitatoria depende de la masa, de la gravedad y de la altura. Un objeto ubicado a mayor altura tiene mayor energía potencial gravitatoria, siempre que mantengamos el mismo nivel de referencia.
El valor de la altura siempre debe medirse respecto de un punto que elegimos como referencia. Por ejemplo, podemos tomar como referencia el piso del aula, la superficie de una mesa o el suelo. Según la referencia elegida, cambia el valor de y, por lo tanto, el valor de la energía potencial gravitatoria.
| Magnitud | Sistema Internacional | Sistema cgs | Equivalencia |
|---|---|---|---|
| Distancia | metro, | centímetro, | |
| Masa | kilogramo, | gramo, | |
| Tiempo | segundo, | segundo, | |
| Velocidad | metro por segundo, | centímetro por segundo, | |
| Aceleración | metro por segundo cuadrado, | centímetro por segundo cuadrado, | |
| Energía | joule, | ergio, |
Importante: Cuando usamos las ecuaciones de energía, todas las magnitudes deben estar expresadas en un mismo sistema de unidades. Antes de reemplazar los datos en una fórmula, siempre conviene revisar las unidades.
Resuelve los siguientes problemas
Una bolita de vidrio de masa rueda sobre una mesa con una velocidad de .
Calculá su energía cinética en ergios.
Una goma de borrar de masa está apoyada sobre un banco a del piso.
Calculá la energía potencial gravitatoria de la goma respecto del piso.
En una investigación de balística forense se analiza el impacto de un proyectil encontrado en una pared. Los peritos estiman que el proyectil tenía una masa de y que, justo antes del impacto, se movía con una velocidad de .
Calculá la energía cinética del proyectil.
Para analizar situaciones de riesgo, podemos comparar la energía involucrada en distintos accidentes. Si tuvieras que elegir cuál de las siguientes situaciones tiene mayor capacidad de producir daño en términos energéticos:
Calculá la energía involucrada en cada situación y decidí cuál de las dos tiene mayor capacidad de producir daño desde el punto de vista energético.
Un objeto de masa se encuentra a cierta altura respecto del suelo. Se quiere que tenga una energía potencial gravitatoria de .
Calculá a qué altura debe encontrarse el objeto para tener esa energía potencial gravitatoria.
Una persona, junto con su bicicleta, tiene una masa total de y toma una rampa a una velocidad de de .
Suponiendo que toda su energía cinética se transforma en energía potencial gravitatoria, calculá hasta qué altura podrá subir.
En un acto de circo, un hombre de masa se deja caer desde una altura de sobre un extremo de una palanca, similar a un sube y baja. En el otro extremo se encuentra una mujer de masa .
Al caer, el hombre transfiere toda su energía a la mujer, impulsándola hacia arriba.
Calculá qué altura máxima puede alcanzar la mujer.