Energía mecánica

En las ciencias físicas , la energía mecánica es la suma de la energía potencial y la energía cinética . Es la energía macroscópica asociada a un sistema. El principio de conservación de la energía mecánica establece que si un sistema aislado está sujeto solo a fuerzas conservadoras , entonces la energía mecánica es constante. Si un objeto se mueve en la dirección opuesta a una fuerza neta conservadora, la energía potencial aumentará; y si la rapidez (no la velocidad ) del objeto cambia, la energía cinética del objeto también cambia. En todos los sistemas reales, sin embargo, las fuerzas no conservadoras , comoLas fuerzas de fricción estarán presentes, pero si son de magnitud despreciable, la energía mecánica cambia poco y su conservación es una aproximación útil. En las colisiones elásticas , la energía cinética se conserva, pero en las colisiones inelásticas parte de la energía mecánica se puede convertir en energía térmica . James Prescott Joule descubrió la equivalencia entre la energía mecánica perdida ( disipación ) y un aumento de temperatura .

Un ejemplo de un sistema mecánico: un satélite está orbitando la Tierra influenciado únicamente por la fuerza gravitacional conservadora; por tanto, se conserva su energía mecánica. La aceleración del satélite está representada por el vector verde y su velocidad está representada por el vector rojo. Si la órbita del satélite es una elipse, la energía potencial del satélite y su energía cinética, ambas varían con el tiempo, pero su suma permanece constante.

Muchos dispositivos se utilizan para convertir energía mecánica en otras formas de energía o desde ellas, por ejemplo, un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica, un generador eléctrico convierte la energía mecánica en energía eléctrica y un motor térmico convierte la energía térmica en energía mecánica.

La energía es una cantidad escalar y la energía mecánica de un sistema es la suma de la energía potencial (que se mide por la posición de las partes del sistema) y la energía cinética (que también se llama energía de movimiento): [1 ] [2]

La energía potencial, U , depende de la posición de un objeto sometido a una fuerza conservadora . Se define como la capacidad del objeto para trabajar y aumenta a medida que el objeto se mueve en la dirección opuesta a la dirección de la fuerza. [nb 1] [1] Si F representa la fuerza conservadora y x la posición, la energía potencial de la fuerza entre las dos posiciones x 1 y x 2 se define como la integral negativa de la F de x 1 a x 2 : [4 ]

La energía cinética, K , depende de la velocidad de un objeto y es la capacidad de un objeto en movimiento para trabajar en otros objetos cuando choca con ellos. [nb 2] [8] Se define como la mitad del producto de la masa del objeto por el cuadrado de su velocidad, y la energía cinética total de un sistema de objetos es la suma de las energías cinéticas de los respectivos objetos: [1 ] [9]

El principio de conservación de la energía mecánica establece que si un cuerpo o sistema está sujeto solo a fuerzas conservadoras , la energía mecánica de ese cuerpo o sistema permanece constante. [10] La diferencia entre una fuerza conservadora y una no conservadora es que cuando una fuerza conservadora mueve un objeto de un punto a otro, el trabajo realizado por la fuerza conservadora es independiente de la trayectoria. Por el contrario, cuando una fuerza no conservadora actúa sobre un objeto, el trabajo realizado por la fuerza no conservadora depende de la trayectoria. [11] [12]

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El profesor del MIT Walter Lewin demuestra la conservación de la energía mecánica

Según el principio de conservación de la energía mecánica, la energía mecánica de un sistema aislado permanece constante en el tiempo, siempre que el sistema esté libre de fricción y otras fuerzas no conservadoras. En cualquier situación real, las fuerzas de fricción y otras fuerzas no conservadoras están presentes, pero en muchos casos sus efectos sobre el sistema son tan pequeños que el principio de conservación de la energía mecánica puede usarse como una aproximación justa . Aunque la energía no se puede crear ni destruir en un sistema aislado, se puede convertir en otra forma de energía. [1] [13]

Péndulo oscilante

Un péndulo oscilante con el vector de velocidad (verde) y el vector de aceleración (azul). La magnitud del vector de velocidad, la rapidez, del péndulo es mayor en la posición vertical y el péndulo está más lejos de la Tierra en sus posiciones extremas.

En un sistema mecánico como un péndulo oscilante sujeto a la fuerza gravitacional conservadora donde las fuerzas de fricción como el arrastre del aire y la fricción en el pivote son despreciables, la energía pasa de un lado a otro entre la energía cinética y la potencial, pero nunca abandona el sistema. El péndulo alcanza la mayor energía cinética y la menor energía potencial cuando está en posición vertical, porque tendrá la mayor velocidad y estará más cerca de la Tierra en este punto. Por otro lado, tendrá su menor energía cinética y su mayor energía potencial en las posiciones extremas de su oscilación, porque tiene velocidad cero y está más lejos de la Tierra en estos puntos. Sin embargo, cuando se tienen en cuenta las fuerzas de fricción, el sistema pierde energía mecánica con cada oscilación debido al trabajo negativo realizado en el péndulo por estas fuerzas no conservadoras. [2]

Irreversibilidades

Se sabe desde hace mucho tiempo que la pérdida de energía mecánica en un sistema siempre resulta en un aumento de la temperatura del sistema, pero fue el físico aficionado James Prescott Joule quien primero demostró experimentalmente cómo una cierta cantidad de trabajo realizado contra la fricción resultó en una cantidad definida de calor que debe concebirse como los movimientos aleatorios de las partículas que componen la materia. [14] Esta equivalencia entre energía mecánica y calor es especialmente importante cuando se considera la colisión de objetos. En una colisión elástica , la energía mecánica se conserva; la suma de las energías mecánicas de los objetos en colisión es la misma antes y después de la colisión. Sin embargo, después de una colisión inelástica , la energía mecánica del sistema habrá cambiado. Por lo general, la energía mecánica antes de la colisión es mayor que la energía mecánica después de la colisión. En colisiones inelásticas, parte de la energía mecánica de los objetos que chocan se transforma en energía cinética de las partículas constituyentes. Este aumento de la energía cinética de las partículas constituyentes se percibe como un aumento de la temperatura. La colisión se puede describir diciendo que parte de la energía mecánica de los objetos que chocan se ha convertido en una cantidad igual de calor. Por lo tanto, la energía total del sistema permanece sin cambios aunque la energía mecánica del sistema se ha reducido. [1] [15]

Satélite

trama de energía cinética , Energía potencial gravitacional, y energía mecánica versus la distancia desde el centro de la Tierra, r en R = Re, R = 2 * Re, R = 3 * Re y finalmente R = radio geoestacionario

Un satélite de masa A una distancia del centro de la Tierra posee tanto energía cinética, , (en virtud de su movimiento) y energía potencial gravitacional, , (en virtud de su posición dentro del campo gravitacional de la Tierra; la masa de la Tierra es ). Por lo tanto, la energía mecánica del sistema satélite-Tierra viene dado por

Si el satélite está en órbita circular, la ecuación de conservación de energía se puede simplificar aún más en

dado que en movimiento circular, la segunda ley del movimiento de Newton se puede tomar como

Hoy en día, muchos dispositivos tecnológicos convierten la energía mecánica en otras formas de energía o viceversa. Estos dispositivos se pueden colocar en estas categorías:

  • Un motor eléctrico convierte la energía eléctrica en energía mecánica. [16] [17] [18]
  • Un generador convierte la energía mecánica en energía eléctrica. [19]
  • Una central hidroeléctrica convierte la energía mecánica del agua en una presa de almacenamiento en energía eléctrica. [20]
  • Un motor de combustión interna es un motor térmico que obtiene energía mecánica de la energía química quemando combustible . A partir de esta energía mecánica, el motor de combustión interna a menudo genera electricidad. [21]
  • Una máquina de vapor convierte la energía térmica del vapor en energía mecánica. [22]
  • Una turbina convierte la energía cinética de una corriente de gas o líquido en energía mecánica. [23]

La clasificación de la energía en diferentes tipos a menudo sigue los límites de los campos de estudio de las ciencias naturales.

  • La energía química es el tipo de energía potencial "almacenada" en enlaces químicos y se estudia en química . [24]
  • La energía nuclear es energía almacenada en interacciones entre las partículas en el núcleo atómico y se estudia en física nuclear . [25]
  • La energía electromagnética se presenta en forma de cargas eléctricas, campos magnéticos y fotones . Se estudia en electromagnetismo . [26] [27]
  • Diversas formas de energía en mecánica cuántica ; por ejemplo, los niveles de energía de los electrones en un átomo. [28] [29]

Notas

  1. ^ Es importante señalar que al medir la energía mecánica, un objeto se considera como un todo, como lo afirma Isaac Newton en sus Principia : "El movimiento de un todo es lo mismo que la suma de los movimientos de las partes; es decir, el cambio en la posición de sus partes desde sus lugares, y por lo tanto el lugar de un todo es el mismo que la suma de los lugares de las partes y por lo tanto es interno y en todo el cuerpo ". [3]
  2. ^ En física, la velocidad es una cantidad escalar y la velocidad es un vector . En otras palabras, la velocidad es la velocidad con una dirección y, por lo tanto, puede cambiar sin cambiar la velocidad del objeto, ya que la velocidad es la magnitud numérica de una velocidad. [5] [6] [7]

Citas

  1. ↑ a b c d e Wilczek, Frank (2008). "Leyes de conservación (física)" . AccessScience . Compañías McGraw-Hill. Archivado desde el original el 19 de julio de 2013 . Consultado el 26 de agosto de 2011 .
  2. ^ a b "energía mecánica". La nueva Encyclopædia Britannica: Micropædia: Ready Reference . 7 (15ª ed.). 2003.
  3. ^ Newton 1999 , p. 409
  4. ^ "Energía potencial" . Universidad de Texas A&M – Kingsville. Archivado desde el original el 14 de abril de 2012 . Consultado el 25 de agosto de 2011 .
  5. ^ Brodie 1998 , págs. 129-131
  6. ^ Rusk, Rogers D. (2008). "Velocidad" . AccessScience . Compañías McGraw-Hill. Archivado desde el original el 19 de julio de 2013 . Consultado el 28 de agosto de 2011 .
  7. ^ Rusk, Rogers D. (2008). "Velocidad" . AccessScience . Compañías McGraw-Hill. Archivado desde el original el 19 de julio de 2013 . Consultado el 28 de agosto de 2011 .
  8. ^ Brodie 1998 , p. 101
  9. ^ Jain 2009 , p. 9
  10. ^ Jain 2009 , p. 12
  11. ^ Departamento de Física. "Revisión D: energía potencial y la conservación de la energía mecánica" (PDF) . Instituto de Tecnología de Massachusetts . Consultado el 3 de agosto de 2011 .
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  13. ^ E. Roller, Duane; Leo Nedelsky (2008). "Conservación de la energía" . AccessScience . Compañías McGraw-Hill . Consultado el 26 de agosto de 2011 .
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Bibliografía

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  • Jain, Mahesh C. (2009). Libro de texto de ingeniería física, Parte I . Nueva Delhi: PHI Learning Pvt. Ltd. ISBN 978-81-203-3862-3. Consultado el 25 de agosto de 2011 .
  • Newton, Isaac (1999). I. Bernard Cohen; Anne Miller Whitman (eds.). Los Principia: principios matemáticos de la filosofía natural . Estados Unidos de América: University of California Press. ISBN 978-0-520-08816-0.