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La energía es un concepto relacionado con la idea de capacidad o fuerza para realizar algo. Según el campo de estudio, la acepción concreta puede variar pero siempre está ligada con esta capacidad de acción. En física, la mecánica clásica define la energía como la capacidad de trabajo y sostiene que la cantidad de energía contenida en un sistema cerrado siempre es la misma, se mantiene constante, pero puede transformarse en distintas formas o tipos y puede transferirse de una partícula a otra.

Entre los tipos de energía que conocemos está la energía mecánica, que es aquella que se puede utilizar de forma directa para realizar trabajo mecánico, es decir, para cambiar el estado de movimiento o configuración de un cuerpo. Existen dos tipos de energía mecánica, la energía cinética y la energía potencial, cuya suma es igual a la energía mecánica del sistema. La diferencia entre las dos es que la energía cinética está asociada al movimiento mientras que la energía potencial está asociada a la posición o configuración en relación con un campo de fuerzas. Si hay movimiento, cambia la posición y, por tanto, también la energía potencial. Veamos en que consiste cada una y su relación.

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Energía cinética

La energía cinética (designada como Ec) es aquella que posee un cuerpo en movimiento. Este concepto, que aparece desde la mecánica clásica hasta la mecánica cuántica, se define como el trabajo que hay que realizar para llevar a una particular desde una velocidad cero (estado de reposo) hasta su velocidad actual y es igual la mitad de su masa por la velocidad al cuadrado:

Fórmula energía cinética

Al aplicar esta energía sobre el cuerpo, este acelera hasta alcanzar la velocidad indicada y una vez alcanza el cuerpo mantiene la misma energía cinética a menos que cambie la velocidad. Para que el cuerpo vuelva a estado de reposo se necesita aplicar un trabajo de la misma magnitud pero en sentido contrario. La energía cinética es, además, expansiva, por lo que se puede obtener coma la suma de la energía cinética de cada partícula que compone un sistema.

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Energía potencial

La energía potencial es la que posee un cuerpo debido a su posición o configuración dentro de un campo de fuerzas conservativo, el cuál se caracteriza porque el trabajo total realizado por el campo para que una partícula realice un movimiento en una trayectoria cerrada es igual a cero, por ejemplo, una órbita planetaria. Es decir, el trabajo total para cambiar el sistema desde una determinada configuración hasta volver a la misma configuración es cero independientemente del camino seguido, por tanto el trabajo depende sólo del estado inicial y final.

Para explicar el concepto de energía potencial se suele recurrir a pensar en ella como la energía que almacena una partícula al cambiar de posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Para que la partícula pase de un punto A a un punto distinto B, hay que aplicar un trabajo a la partícula. La energía de este trabajo se transfiere a la participa y se transforma en energía potencial. Para volver del punto B al punto A hay que aplicar el mismo trabajo en sentido contrario, por eso el trabajo total en la trayectoria cerrada, sea cual sea el camino seguido, es igual cero.

En las condiciones de un campo conservativo, la energía potencial se define como:

U_B - U_A = -\int_A^B \mathbf{F} \cdot d\mathbf{r}

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De dónde se deduce que la fuerza aplicada del punto A al punto B es igual al gradiente inverso entre los puntos del campo de fuerzas:

\mathbf{F} = - \nabla U

Existen tres tipos de campos conservativos y tres tipos de energía potencial asociados:

  1. Energía potencial gravitacional: es la energía potencial debido al campo gravitacional. Depende de la distancia (altura relativa) al centro de masas entre dos objetos.
  2. Energía potencial electrostática: debida al campo generado por las fuerzas de interacción entre partículas de carga opuesta.
  3. Energía potencial elástica: también llamada energía de deformación, es la energía mecánica potencial que almacena un sistema al aplicar fuerzas que cambian su forma o volumen pero no genera cambios termodinámicas irreversibles.

Ejemplo: relación entre energía cinética y energía potencial gravitacional

Para visualizar como la energía cinética y la energía potencial son dos formas de energía mecánica, podemos poner el ejemplo clásico de levantar un piedra del suelo en contra de la fuerza del campo gravitacional. La energía potencial de la piedra viene dada por su masa, la fuerza de la gravedad y la altura:

\ U_g = mgh

Donde Ug es la energía potencial gravitacional, m es la masa del cuerpo, g es la fuerza de gravedad y h es su altura (distancia al centro de masas entre la Tierra y la piedra o centro de gravedad).

Para levantar la piedra tendremos que aplicar un trabajo con una fuerza superior a la fuerza de la gravedad pero en sentido contrario. Al aplicar esta fuerza sobre la piedra, le transferimos la energía que se transforma en energía cinética para que la piedra se desplace hacia arriba. Seguimos aplicando la fuerza hasta llegar a 1 m de altura y detenemos la piedra. Ahora la energía cinética se hace cero y se transforma en energía potencial gravitacional que queda almacenada en la piedra.

Si ahora soltamos la piedra y la dejamos en caída libre, la energía potencial gravitacional almacenada vuelve a transformarse en energía cinética y la piedra cae hasta llegar al punto de partida, momento en el que volverá a tener la misma energía total que antes de levantarla.

Referencias

  • Martín Bragado, Ignacio (12 de febrero de 2003). Física General. Universidad de Valladolid.

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  • capitan

    buenos dias
    seria usted tan amable de decirme como puedo sacar la velocidad de un objeto en caida a travez de un tobogan que se encuentra totalmente parado. o sea que el tobogan se encuentra en posicion vertical. tomando como referencia que tiro un objeto a travez de ese tobogan a una altura de cien metros (100 metros). e mirado en internet y todos los ejemplos de velocidad oscilatoria entiendo que son en direccion horizontal. pero en mi caso necesito saber esa informacion pero en direccion vertival o descendente.
    por su sabiduria y aporte, para ayudarme a resolver este problema, muchas gracias y que Dios lo bendiga