La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas materiales. La naturaleza es esencialmente dinámica; es decir, está sujeta a cambios: cambios de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado físico, por ejemplo. La energía es una propiedad que se relaciona con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza.
La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. Los cambios que sufren los sistemas materiales llevan asociados, precisamente, transformaciones de una forma de energía en otra. La energía se puede presentar en formas diferentes; es decir, puede estar asociada a cambios materiales de diferente naturaleza.
Pero en todas ellas la energía se conserva; es decir, ni se crea ni se destruye en el proceso de transformación. Otro modo de interpretarlo es el siguiente: si un sistema físico está aislado de modo que no cede energía ni la toma del exterior, la suma de todas las cantidades correspondientes a sus distintas formas de energía permanece constante. Dentro del sistema pueden darse procesos de transformación, pero siempre la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra.
La experiencia demuestra que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en la materia va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. El principio de la conservación de la energía hace referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está relacionada con la posibilidad de ser utilizada.
De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, los que interesan a la mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad. De acuerdo con su definición, la energía mecánica puede presentarse bajo dos formas diferentes según esté asociada a los cambios de posición o a los cambios de velocidad.
Energía Potencial y Cinética
La energía potencial es, por tanto, la energía que posee un cuerpo o sistema en virtud de su posición o de su configuración (conjunto de posiciones). Un cuerpo en movimiento es capaz de producir movimiento; esto es, de cambiar la velocidad de otros. En su nuevo estado ambos cuerpos disponen de una capacidad para producir cambios en otros.
- Energía Potencial: es la energía que tienen los cuerpos que están en reposo y depende de la posición del cuerpo en el espacio: a mayor altura, mayor será su energía potencial.
- Energía Cinética: es la que posee todo cuerpo en movimiento. Por ejemplo, cuando se lanza una pelota, esta adquiere energía cinética.
Esto significa que la energía potencial se puede transformar en cinética.
Definición de Trabajo Físico
En el mundo que nos rodea, observamos que los objetos producen cambios sobre otros objetos al interactuar con ellos. Por ejemplo, el viento que hace girar las aspas de un molino, la puerta que se abre o se cierra al ser empujada o tirada de ella por nosotros, etc. Así pues, se define energía como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo sobre un objeto u otro sistema. Ahora bien, ¿qué es el trabajo?
En el lenguaje cotidiano, la palabra “trabajo” se asocia a todo aquello que suponga un esfuerzo físico o mental, y que por tanto produce cansancio. ; en el lenguaje científico, aunque están relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes. Aun así, se acerca bastante.
Se define trabajo como el intercambio de energía que hay entre dos sistemas cualesquiera, llamemos A y B, al aplicar A una fuerza sobre B y provocar un desplazamiento de B. Debemos tener en cuenta que, al ser un tramo infinitamente pequeño, podemos asumir que el desplazamiento dr es equivalente a la trayectoria en ese tramo, expresado como ds. Así pues, sumando el trabajo infinitesimal para cada tramo infinitesimal de desplazamiento, podemos calcular el trabajo para toda una trayectoria.
¿Cómo se hace eso? Podemos tomar F como constante o no. Debemos tener en cuenta las propiedades del producto escalar de dos vectores F · dr, que nos dicen que: F⋅r⋅cos α. Como se puede deducir de la expresión y de la figura 2, solo la componente Fx de la fuerza genera trabajo. Esto es así porque si el ángulo fuera 90º, cos90=0, por lo que no existiría el trabajo. Físicamente hablando, una fuerza perpendicular a la trayectoria recorrida no es la responsable de ese recorrido, por lo que no genera trabajo para ese movimiento. Son conceptos básicos de la física.
Potencia
Es importante no confundir el símbolo del trabajo (W) con el de la unidad de medida de la potencia (w). Se mide en vatios (w -del inglés Watts-). En las clases de ciencias es común encontrarnos medidas de potencia en unidades distintas al vatio. Normalmente, al hablar de potencia en el mundo de la mecánica, hablamos de caballos de vapor (CV).
Así pues, un sistema capaz de hacer un mismo trabajo en menor tiempo, es más potente. Si hablamos de una máquina que debe realizar una operación, se trata de una máquina más eficiente (tarda menos tiempo en ejecutar la operación). En primer lugar, y por su expresión matemática, depende directamente del tiempo y del trabajo. Sin embargo, si analizamos mejor la expresión del trabajo, y teniendo en cuenta la segunda ley de Newton, sabemos que el trabajo acaba dependiendo de la masa, la aceleración y la distancia recorrida.
En definitiva, el trabajo es una magnitud que nos indica la transferencia de energía que se produce por la aplicación de una fuerza sobre un cuerpo con un desplazamiento como consecuencia. Y la potencia nos indica cómo de eficaz es esa transmisión.
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