Sexta semana del tercer periodo grado décimo

Energía cinética

La energía cinética es la energía que un objeto tiene debido a su movimiento. Si queremos acelerar un objeto debemos aplicar una fuerza. Para hacerlo necesitamos realizar un trabajo. Como resultado, transferimos energía al objeto, y este se moverá con una nueva velocidad constante. A la energía transferida la conocemos como energía cinética, y depende de la masa y la velocidad alcanzada.

 

La energía cinética puede transferirse entre objetos y transformarse en otros tipos de energía. Por ejemplo, una ardilla voladora podría chocar con una ardilla inmóvil. Tras la colisión, parte de la energía cinética inicial de la ardilla voladora se habrá transferido a la ardilla en reposo o se habrá transformado en otra forma de energía.

 

¿Cómo podemos calcular la energía cinética?

Para calcular la energía cinética, seguimos el razonamiento descrito anteriormente y comenzamos por encontrar el trabajo realizado, $W$W, por una fuerza, $F$F, en un ejemplo sencillo. Considera una caja de masa $m$m que es empujada a lo largo de una distancia $d$d por una fuerza paralela a la superficie. Como aprendimos anteriormente.

 

W= F . d   ;  W= m . a . d

 

Si recordamos nuestras ecuaciones cinemáticas del movimiento, sabemos que podemos sustituir la aceleración si conocemos las velocidades inicial y final, $v_\mathrm{i}$v, start subscript, i, end subscrip y $v_\mathrm{f}$v, start subscript, f, end subscript, así como la distancia.

Por lo tanto, cuando se realiza una cantidad neta de trabajo sobre un objeto, la cantidad $\dfrac{1}{2}mv^2$start fraction, 1, divided by, 2, end fraction, m, v, squared, a la que llamamos energía cinética $K$, cambia.

Alternativamente, podemos decir que el cambio en la energía cinética es igual al trabajo neto realizado sobre un objeto o sistema. 

 

$W_{neto}=\Delta K$

 

Conocemos este resultado como el teorema de trabajo y energía; es un resultado bastante general que aplica aún para fuerzas que varían en dirección y magnitud. Es importante en el estudio de la conservación de la energía y las fuerzas conservativas.

 

¿Qué es lo interesante de la energía cinética?

Hay un par de cosas interesantes sobre la energía cinética que podemos ver en la ecuación.

• La energía cinética depende de la velocidad del objeto al cuadrado. Esto significa que cuando la velocidad de un objeto se duplica, su energía cinética se cuadruplica. Un automóvil que viaja a 60 km/h tiene cuatro veces la energía cinética de un automóvil idéntico que viaja a 30 km/h y, por lo tanto, cuatro veces el potencial de provocar más muertes y destrucción en caso de un accidente.
  

• La energía cinética siempre debe ser cero o tener un valor positivo. Mientras que la velocidad puede tener un valor positivo o negativo, la velocidad al cuadrado siempre es positiva.
  

• La energía cinética no es un vector. Así que una pelota de tenis lanzada hacia la derecha con una velocidad de 5 m/s tiene exactamente la misma energía cinética que una pelota de tenis lanzada hacia abajo con una velocidad de 5 m/s.

Quinta semana del tercer periodo grado décimo

Trabajo y energía

 

La energía es una palabra que suele utilizarse mucho en la vida cotidiana. Aunque a menudo se usa de manera ambigua, tiene un significado físico muy específico.

La energía es una medida de la capacidad de algo para producir trabajo. No es una sustancia material, y puede almacenarse y medirse de muchas formas. 

 

Aunque solemos escuchar a las personas hablar del consumo de energía, esta nunca se destruye realmente: tan solo se transfiere de una forma a otra, y realiza un trabajo en el proceso. Algunas formas de energía son menos útiles para nosotros que otras (por ejemplo, la energía calorífica de bajo nivel). Es mejor hablar del consumo o la extracción de recursos energéticos (como el carbón, el petróleo o el viento) que hablar del consumo de energía en sí mismo.

 

• Una bala que se mueve a gran velocidad tiene asociada una cantidad medible de energía, conocida como energía cinética. La bala adquiere esta energía por el trabajo que hizo sobre ella una carga de pólvora que a su vez perdió algún tipo de energía potencial química en el proceso.
   
• Una taza de café caliente tiene una cantidad medible de energía térmica, que adquirió por el trabajo que realizó sobre ella un horno de microondas, que a su vez tomó la energía de la red eléctrica.

En la practica, siempre que se realice un trabajo para convertir energía de una forma a otra, hay alguna pérdida en otras formas de energía, como el calor o el sonido. Por ejemplo, un foco tradicional es capaz de convertir energía eléctrica en luz visible con tan solo un 3% de eficiencia, mientras que un ser humano es aproximadamente un 25% eficiente para convertir en trabajo la energía química que extrae de los alimentos que consume.

 

¿Cómo medimos la energía y el trabajo?

En la física, la unidad estándar para medir la energía y el trabajo realizado es el joule, que se denota por el símbolo J. En mecánica, 1 joule es la energía que se transfiere cuando se aplica una fuerza de 1 newton sobre un objeto y lo desplaza una distancia de 1 metro.

 

Otra unidad de energía con la que tal vez te hayas encontrado es la kilocaloría. La cantidad de energía que contiene un alimento empaquetado típicamente está dada en calorías. Por ejemplo, una barra común de chocolate de 60 gramos contiene alrededor de 280 kilocalorías de energía. Una kilocaloría es la cantidad de energía que se necesita para elevar en 1$^{\circ}$degrees celsius la temperatura de 1 kg de agua. 

Esto es igual a 4184 joules por kilocaloría, por lo que una barra de chocolate tiene 1,17 millones de joules o 1,17 MJ de energía almacenada. ¡Eso es un montón de joules!

 

¿Por cuánto tiempo debo empujar una caja pesada para quemar una barra de chocolate?

Supongamos que nos sentimos culpables por comer una barra de chocolate; queremos averiguar cuánto ejercicio hay que hacer para compensar esas 280 kilocalorías extras. Consideremos una forma de ejercicio simple: empujar una caja pesada en una habitación, como puedes ver en la figura 1 que se muestra a continuación.

Al colocar una báscula de baño entre nosotros y la caja, encontramos que podemos empujarla con una fuerza de 500 N. Mientras tanto, usamos un cronómetro y una cinta métrica para medir nuestra velocidad, que resulta ser de 0,25 metros por segundo.

 

Entonces, ¿cuánto trabajo necesitamos hacer sobre la caja para quemar la barra de chocolate? La definición de trabajo, $$W, es:

 

$W=F\cdot \Delta x$

 

El trabajo que necesitamos hacer para quemar la energía de la barra de chocolate es $E=280 \mathrm{cal} \cdot 4184 \mathrm{J/cal}=1{,}17 \mathrm{MJ}$E, equals, 280, c, a, l, dot, 4184, J, slash, c, a, l, equals, 1, comma, 17, M, J.

 

Por lo tanto, debemos mover la caja una distancia Δx, que es:

 

Sin embargo, recuerda que nuestros cuerpos tienen una eficiencia aproximada de 25% para transferir la energía almacenada de un alimento en trabajo. La energía real que aprovecharemos será cuatro veces menor que el trabajo hecho sobre la caja. Así que solo necesitamos empujar la caja una distancia de 585 m, que es una longitud mayor a la de cinco campos de futbol americano. Siendo nuestra velocidad 0,25 m/s, esto nos tomará: