En anteriores artículos analizamos a fondo la energía cinética y todo lo relacionado con ella. En este caso, continuamos con la formación y pasamos a estudiar la energía mecánica. Este tipo de energía es la que se produce por el trabajo de un cuerpo y puede ser transferida entre otros cuerpos. La energía mecánica es la suma de la energía cinética (movimiento) con la energía potencial elástica y/o gravitatoria, generada por la interacción de los cuerpos en función de su posición.
En este artículo te explicaremos cómo funciona la energía mecánica, cómo calcularla y algunos ejemplos y aplicaciones. Si quieres entender este concepto de manera clara y sencilla, sigue leyendo.
Explicación de la energía mecánica
Pongamos un ejemplo para explicar la energía mecánica. Imagina que lanzamos una pelota desde una cierta altura. Durante el lanzamiento, la pelota posee energía cinética debido a su movimiento, mientras que al estar en el aire también adquiere energía potencial gravitatoria por su posición respecto al suelo. Conforme se eleva, la energía potencial aumenta, y cuando desciende, esa energía potencial se convierte en energía cinética.
El brazo que impulsa la pelota realiza un trabajo sobre ella, transfiriéndole energía cinética. Si despreciamos la fricción con el aire, la pelota conservará su energía mecánica total, que es la suma de la cinética y la potencial. De hecho, la energía mecánica de un sistema puede permanecer constante cuando no existen fuerzas resistentes como el roce.
Es importante recordar que la gravedad es una fuerza constante (9,8 m/s² en la Tierra) y siempre actúa sobre los objetos. Así, la energía mecánica calculada será el resultado de la interacción entre la velocidad, la masa y la altura de un cuerpo. La unidad de medida de la energía mecánica es el julio (J), según el Sistema Internacional de Unidades.
Fórmula de la energía mecánica
La energía mecánica (Em) es la suma de la energía cinética (Ec) y la energía potencial (Ep). Matemáticamente, se puede expresar de la siguiente forma:
Em = Ec + Ep
Para calcular la energía cinética (Ec), utilizamos la fórmula:
- Ec = 1/2 mv²
donde m es la masa del cuerpo y v es la velocidad.
En cuanto a la energía potencial gravitatoria (Ep), la fórmula es:
- Ep = mgh
donde m es la masa, g es la aceleración provocada por la gravedad y h la altura.
De esta forma, si conoces la masa del objeto, su velocidad y la altura desde la que se lanza, podrás calcular su energía mecánica.
Principio de conservación de la energía mecánica
Un principio fundamental en física es el que afirma que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma. Esto se conoce como el principio de conservación de la energía. En el caso de la energía mecánica, este principio es válido si el sistema está aislado, es decir, si no hay fuerzas no conservativas como la fricción.
Si lanzamos una pelota al aire, en su punto más alto su energía cinética será nula, pero su energía potencial gravitatoria será máxima. Mientras desciende, la energía potencial se transforma en energía cinética. A lo largo de este proceso, la energía mecánica total del sistema permanece constante.
La ecuación matemática que describe este principio es la siguiente:
Em = Ec + Ep = constante
En sistemas reales, la presencia de la fricción y otras fuerzas no conservativas altera esta ecuación, haciendo que parte de la energía se disipe en forma de calor u otros tipos. Aun así, este principio sigue siendo útil para el análisis de numerosos sistemas físicos.
Ejemplos de ejercicios
Veamos algunos ejercicios para ilustrar cómo aplicar los conceptos anteriormente descritos:
- Selecciona la opción incorrecta:
- a) La energía cinética es la que un cuerpo posee por estar en movimiento.
- b) La energía potencial gravitatoria es la que un cuerpo posee por situarse a una cierta altura.
- c) La energía mecánica total de un cuerpo permanece constante incluso en la presencia de fricción.
- d) La energía del universo es constante y solo se transforma.
- e) Cuando un cuerpo tiene energía cinética, puede realizar trabajo.
La opción incorrecta es la (c). La energía mecánica no se conserva en presencia de fricción, ya que parte de ella se disipa en forma de calor.
- La variación de energía cinética del autobús es nula.
- La energía mecánica del sistema bus-Tierra se conserva.
- La energía total del sistema bus-Tierra se conserva, aunque parte se transforma en energía interna.
En este caso, la respuesta correcta es V, F, V. La energía cinética no varía porque la velocidad es constante; sin embargo, la energía mecánica no se conserva debido al aumento de la energía interna del sistema causada por la fricción.
Estos ejemplos ilustran la importancia de comprender cómo las fuerzas y la energía interactúan en diferentes contextos. La energía mecánica es clave en muchas aplicaciones cotidianas, desde el movimiento de un vehículo hasta el salto de un trampolín.
La correcta comprensión de la energía mecánica no solo es útil para aprobar exámenes, sino también para entender los fenómenos del mundo que nos rodea.