Energía potencial y cinética
Energía
La energía es la capacidad de realizar un trabajo.
La unidad de energía es J (Joule) que también es kg m2/s2 (kilogramo metro cuadrado por segundo cuadrado)
¡La energía puede ser de muchas formas! Aquí miramos la energía potencial (EP) y la energía cinética (EC).
Energía potencial y energía cinética
Un martillo:
- cuando se eleva tiene energía potencial (la energía de posición o estado)
- cuando cae tiene energía cinética (la energía del movimiento)
La energía potencial (EP) es energía almacenada debido a la posición o el estado
- un martillo elevado tiene EP debido a la gravedad.
- el combustible y los explosivos tienen EP químico
- un resorte en espiral o un arco estirado también tienen EP debido a su estado
La energía cinética (EC) es energía de movimiento.
Un automóvil en movimiento tiene mucha energía
cinética.
De EP a EC
Estos
paracaidistas tienen energía potencial
debido a que están en lo alto.
Después de que saltan, esta energía potencial se
convierte en energía cinética
(y calor) a medida que aceleran.
Energía potencial gravitacional
Cuando la EP se debe a la altura de un objeto, entonces:
EP debida a la gravedad = m g h
Donde:
- m es la masa del objeto (kg)
- g es la "intensidad del campo gravitacional" de 9.8 m/s2 cerca de la superficie de la Tierra
- h es altura (m)
Ejemplo: este martillo de 2 kg tiene una altura de 0,4 m. ¿Cuál es su EP?
Energía cinética
La fórmula es:
EC = ½ m v2
Donde
- m es la masa del objeto (kg)
- v es la velocidad del objeto (m/s)
Ejemplo: ¿Cuál es la EC de un automóvil de 1500 kg que viaja a una velocidad de una calle a 14 m/s (aproximadamente 50 km/h o 30 mph)?
EC = ½ m v2
EC = ½ × 1500 kg × (14 m/s)2
EC = 147,000 kg m2/s2
EC = 147 kJ
Dupliquemos la velocidad.
Ejemplo: ¿El mismo automóvil circula ahora a una velocidad de carretera de 28 m/s (aproximadamente 100 km/h o 60 mph)?
EC = ½ m v2
EC = ½ × 1500 kg × (28 m/s)2
EC = 588,000 kg m2/s2
EC = 588 kJ
¡Guau! ¡Eso es un gran aumento de energía! La velocidad de la carretera es mucho más peligrosa.
Dupliquemos la velocidad y la EC aumentará cuatro veces. Muy importante tener esto en cuenta.
Un meteorito de 1 kg golpea la Luna a 11 km/s. ¿Cuánta EC es eso?
EC = ½ m v2
EC = ½ × 1 kg × (11,000 m/s)2
EC = 60,500,000 J
EC = 60.5 MJ
Eso es 100 veces la energía de un automóvil que va a la velocidad de una autopista.
De EP a EC
Al caer, la EP de un objeto debido a la gravedad se convierte en EC y también en calor debido a la resistencia del aire.
¡Dejemos caer algo!
Ejemplo: Dejamos caer esta manzana de 0.1 kg 1 m. ¿Con qué velocidad golpea el suelo?
A 1 m sobre el suelo, su energía potencial es
EP = m g h
EP = 0.1 kg × 9.8 m/s2 × 1 m
EP = 0.98 kg m2/s2
Ignorando la resistencia del aire (que es pequeña para esta pequeña gota de todos modos), la EP se convierte en EC:
EC = ½ m v2
Intercambiamos lados y reorganizamos:
½ m v2 = EC
v2 = 2 × EC / m
v = √( 2 × EC / m )
Ahora ponemos EP en EC y obtenemos:
v = √( 2 × 0.98 kg m2/s2 / 0.1 kg )
v = √( 19.6 m2/s2 )
v = 4.427... m/s
Nota: para la velocidad podemos combinar las fórmulas de esta manera:
Velocidad a partir de EC: | v = √( 2 × EC / m ) | |
Lo ponemos en la fórmula de EP: | v = √( 2 × mgh / m ) | |
Cancelamos m/m: | v = √( 2gh ) |
¡La masa no importa! Se trata de altura y gravedad. Para nuestro ejemplo anterior:
v = √( 2gh )
v = √( 2 × 9.8 m/s2 × 1 m )
v = 4.427... m/s
Resumen
- La energía es la capacidad de realizar un trabajo.
- La energía potencial (EP) es energía almacenada debido a la posición o estado
- La energía cinética (EC) es energía de movimiento.
EP debida a la gravedad = mgh
EC = ½ m v2
¡Refuerza tu aprendizaje resolviendo los siguientes retos sobre este tema! (Nota: están en inglés).