Enegía Mecánica

Actualizado septiembre 11, 2019

Se define a la energía mecánica como la capacidad para hacer un trabajo. Se la conoce también como la sumatoria entre la energía cinética y la potencial, sea gravitatoria o elástica. Este tipo de energía es uno de los más utilizados en problemas de física clásica dado que su definición surge directamente de las conocidas leyes de Newton. Esperamos que esta información le sea de suma utilidad para entender el funcionamiento de la energía mecánica.

¿Como funciona la energía mecánica?

Para entender la energía mecánica es necesario analizar sus componentes por separado, así como la definición de trabajo. La energía mecánica puede definirse como:

Emecanica = Ecinética + Epotencial

El ejemplo que se observa en la imagen anterior de la montaña rusa, es un clásico ejemplo de cómo funciona la energía mecánica. Dado que en los puntos más altos de la montaña habrá mayor energía potencial esto permitirá que los carros avancen rápidamente. En los puntos más bajos, tal vez uno imaginaría que el carro se detendría. Sin embargo, no lo hace debido a que, si la energía mecánica no se hubiera disipado en forma de fricción toda esta energía potencial se encontraría ahora en forma de energía cinética, dandole gran velocidad al carro.

Para facilitar su lectura, aquí debajo, iremos explicando estos conceptos de manera que usted, lector, pueda comprenderlos sin necesitar una formación en física.

Trabajo

Seguramente usted estará de acuerdo en que cuesta trabajo mover un sofá pesado, levantar una pila de libros del piso hasta colocarla en un estante alto, o empujar un automóvil averiado para retirarlo de la carretera. Todos estos ejemplos concuerdan con el significado cotidiano de trabajo: cualquier actividad que requiere esfuerzo muscular o mental.

En física el trabajo tiene una definición mucho más precisa. Los tres ejemplos de trabajo antes mencionados —mover un sofá, levantar una pila libros y empujar un automóvil— tienen algo en común. En ellos realizamos trabajo ejerciendo una fuerza sobre un cuerpo mientras éste se mueve de un lugar a otro, es decir, sufre un desplazamiento. Efectuamos más trabajo si la fuerza es mayor (empujamos más fuerte el auto) o si el desplazamiento es mayor (lo empujamos una mayor distancia). En la materia de física se define el trabajo en base en estas observaciones que acabamos de realizar como fuerza por desplazamiento.

También se puede realizar trabajo al rotar un objeto, por ejemplo, al abrir una puerta  o mover un péndulo. En este caso la fuerza que actúa se denomina torque, el cual mide en la cantidad de fuerza aplicada de manera tangencial. El trabajo en estos casos se calcula como el producto vectorial entre el torque y el angulo de desplazamiento.

Energía potencial: 

Energía potencial , energía almacenada que depende de la posición relativa de varias partes de un sistema. Un resorte tiene más energía potencial cuando se comprime o se estira. Una bola de acero tiene más energía potencial elevada sobre el suelo que después de caer a la Tierra . En la posición elevada es capaz de hacer más trabajo . La energía potencial es una propiedad de un sistema y no de un cuerpo o partícula individual; El sistema compuesto por la Tierra y la bola levantada, por ejemplo, tiene más energía potencial a medida que los dos están más separados.

La energía potencial de un sistema de partículas depende solo de sus configuraciones iniciales y finales. Es independiente de la trayectoria que recorren las partículas. En el caso de la bola de acero y la tierra, si la posición inicial de la bola está al nivel del suelo y la posición final es de 10 pies sobre el suelo, la energía potencial es la misma, sin importar cómo o por qué ruta se elevó la bola. El valor de la energía potencial es arbitrario y relativo a la elección del punto de referencia. En el caso anterior, el sistema tendría el doble de energía potencial si la posición inicial fuera el fondo de un agujero de 10 pies de profundidad.

La energía potencial se clasifica en energía potencial gravitatoria, que está dada por la fuerza de gravedad y la distancia sobre la superficie de la tierra en la cual se encuentre un cuerpo y la energía potencial elástica que es aquella dada por los resortes y será mayor a medida que estiremos el resorte de su posición de equilibrio.

Energía cinética:

Es la forma de energía que tiene un objeto o una partícula en razón de su movimiento . Si el trabajo , que transfiere energía, se realiza sobre un objeto aplicando una fuerza neta , el objeto se acelera y, por lo tanto, gana energía cinética. La energía cinética es una propiedad de un objeto o partícula en movimiento y no solo depende de su movimiento sino también de su masa . El tipo de movimiento puede ser traslación (o movimiento a lo largo de un camino de un lugar a otro), rotación alrededor de un eje, vibración o cualquier combinación de movimientos. Algunos ejemplos de energía cinética de la vida cotidiana pueden ser el movimiento de una pelota o un automóvil, donde la energía se manifiesta en forma de velocidad.

La energía cinética de traslación se define como la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado. Para un cuerpo giratorio, el momento de inercia, I , corresponde a la masa, y la velocidad angular  (ω). De esta manera, la energía cinética de rotación es igual a la mitad del producto del momento de inercia y el cuadrado de la velocidad angular.

Conservación de la Energía mecánica:

La variación de la energía mecánica es igual al trabajo de las fuerzas no conservativas.  Esto es así, pues se deduce de en un teorema conocido como el teorema de las fuerzas vivas que define a la energía cinética como como la sumatoria de todos los trabajos.

Una fuerza no conservativa es aquella para la que el trabajo depende de la ruta tomada. La fricción es un buen ejemplo de una fuerza no conservativa. El trabajo realizado contra la fricción depende de la longitud del camino entre los puntos de inicio y final. Debido a esta dependencia en el camino, no hay energía potencial asociada con fuerzas no conservativas. Una característica importante es que el trabajo realizado por una fuerza no conservativa agrega o elimina energía mecánica de un sistema . La fricción , por ejemplo, siempre elimina energía mecánica y crea energía térmica que se disipa, eliminando la energía del sistema. Además, incluso si la energía térmica se retiene o se captura, no se puede volver a convertir completamente al trabajo, por lo que también se pierde o no se puede recuperar en ese sentido.

Las fuerzas conservativas por el contrario son aquellas que el camino no genera dependencia en ellas. Un buen ejemplo es la fuerza peso, la cual es exactamente igual sin importar de que manera elevé un objeto.  Sin embargo, hay muy pocos escenarios donde solo hayan fuerzas conservativas, dado que existe fricción en todos los medios donde nos encontremos. La fricción del aire, aunque es despreciable en muchos de los modelos planteados en física, se puede volver más importante dependiendo del objeto con el cual estemos tratando.

Utilización de energía mecánica como energía eléctrica

La energía mecánica puede ser utilizada para dar energía eléctrica. Por lo tanto, el agua detrás de una presa fluye a niveles más bajos a través de turbinas, hacen girar los generadores eléctricos, produciendo energía eléctrica más algo de energía térmica inutilizable que resulta de la turbulencia y la fricción.  A su vez, la energía potencial también incluye otras formas como la energía potencial eléctrica obtenida a partir de la energía almacenada entre las placas de un capacitador cargado o un inductor. Esta energía puede utilizarse para generar energía eléctrica a partir de un generador.