Introducción al concepto de energía

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, por qué puede calentarse 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. Una idea muy importante es que 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.

Energía cinética y energías potenciales

La energía cinética es la energía asociada al movimiento de un cuerpo. Todo cuerpo que se mueve tiene energía cinética. Cuanto mayor sea su masa y mayor sea su velocidad, mayor será su energía cinética.

Por ejemplo, una bicicleta en movimiento, una pelota lanzada o un auto que avanza tienen energía cinética. Si dos objetos se mueven con la misma velocidad, el que tenga mayor masa tendrá más energía cinética. Si dos objetos tienen la misma masa, el que se mueva más rápido tendrá más energía cinética.

Las energías potenciales, en cambio, están asociadas a la posición, la configuración o el estado de un sistema. No dependen solamente de que algo se esté moviendo, sino de la posibilidad de que ocurra una transformación debido a una interacción.

Algunos ejemplos de energías potenciales son:

La energía potencial gravitatoria, asociada a la altura de un objeto en un campo gravitatorio.
La energía potencial elástica, asociada a la deformación de un resorte, una gomera o un cuerpo elástico.
La energía potencial eléctrica, asociada a la posición de cargas eléctricas en un campo eléctrico.

En este curso vamos a comenzar trabajando especialmente con dos formas de energía mecánica: la energía cinética y la energía potencial gravitatoria.

Energía cinética

La energía cinética se calcula con la siguiente expresión:

Donde:

es la energía cinética.
es la masa del cuerpo.
es la velocidad del cuerpo.

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.

Energía potencial gravitatoria

La energía potencial gravitatoria cerca de la superficie de la Tierra se calcula con la siguiente expresión:

Donde:

es la energía potencial gravitatoria.
es la masa del cuerpo.
es la aceleración de la gravedad, que en la superficie de la tierra es o bien
es la altura respecto de un nivel de referencia.

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.

Sistemas de unidades

Magnitud	Sistema Internacional	Sistema cgs
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.

Actividad

1. Energía cinética de una piedra

Una persona lanza una piedra de masa con una velocidad de . ¿Cuál es su energía cinética?

2. Energía potencial gravitatoria en un ejercicio de gimnasio

En un gimnasio, una persona realiza un ejercicio de peso muerto. Durante el movimiento, levanta una pesa de masa desde el suelo hasta una altura de .

Calculá cuánta energía potencial gravitatoria adquiere la pesa al ser levantada.

3. Energía necesaria para subir escaleras

Una persona de masa sube por escalera desde un piso hasta el siguiente. La altura entre ambos pisos es de .

Calculá cuánta energía transforma esa persona en energía potencial gravitatoria al subir un piso.
Un vaso de gaseosa Coca Cola aporta aproximadamente de energía. Suponiendo un caso ideal en el que toda esa energía pudiera transformarse en energía potencial gravitatoria, calculá cuántos pisos podría subir esa persona con la energía aportada por el vaso de gaseosa.

4. Lanzamiento de ladrillos en una obra

En una obra, los albañiles necesitan subir ladrillos hasta el techo, que se encuentra a de altura. Para hacerlo, organizan un pasamanos: un albañil lanza cada ladrillo hacia arriba y otro albañil, ubicado en el techo, lo atrapa.

Cada ladrillo tiene una masa de .

Calculá la energía mínima que hay que entregarle a un ladrillo para que llegue hasta el techo. Para eso, considerá la energía potencial gravitatoria que debe adquirir al subir .
Si el albañil lanza un ladrillo con una velocidad inicial de , calculá la energía cinética inicial del ladrillo y si esa velocidad alcanza para que llegue hasta el techo.
Un paquete de 4 galletitas Pepitos aporta aproximadamente de energía. Suponiendo un caso ideal en el que toda esa energía pudiera usarse para lanzar ladrillos, calculá cuántos ladrillos podrían subirse hasta el techo con esa energía.