La Energía Mecánica (II)

Cuando hablamos de energía nos referimos a algo que puede presentarse bajo diferentes formas. Estas diferentes manifestaciones de la energía se hallan presentes en la multiplicidad de fenómenos que se dan a nuestro alrededor: la energía eléctrica que hace funcionar nuestra PC, la energía química de los alimentos que ingerimos y que al metabolizarse permiten, entre otras cosas, mantener nuestra temperatura corporal o la energía lumínica del sol que es almacenada por las plantas en el proceso de la fotosíntesis.
Por lo que sabemos hoy acerca del funcionamiento del universo, debemos aceptar que existe un principio básico vinculado con la energía. Este principio fundamental indica que: La ENERGÍA siempre se conserva. Y cuando nos referimos aquí a ENERGÍA estamos considerando todas las formas que puede adoptar (incluida la masa que, en la física moderna, forma una sola entidad con la energía).
Ahora bien, si "ponemos en la bolsa" todos los tipos de energía conocidos, esta magnitud se conserva siempre pero ¿Y si consideramos sólo la energía mecánica?
Como buena parte de Física B está dedicada al estudio del movimiento, analizar la cuestión de la conservación o no de la energía mecánica tiene especial interés.
Comencemos recordando que llamamos energía mecánica a la suma de las energías cinética y potencial gravitatoria. La primera, asociada al movimiento, depende de la masa y la velocidad; la segunda, conocida como energía de posición se relaciona con la masa, la altura y la aceleración de la gravedad.

Un cuerpo puede tener sólo energía potencial: La campana que cuelga quieta de su soporte

Puede tener sólo energía cinética: El ciclista que marcha a nivel del suelo en terreno plano

O ambas energías, cinética y potencial, pueden ser distintas de cero: Un avión en vuelo.

Más allá de que alguna de las energías sea cero siempre hablamos de energía mecánica como suma de potencial y cinética.

Por simplicidad vamos a analizar el juego de la energía en una caída libre, aunque luego, las conclusiones se podrán generalizar.

Supongamos que estamos sosteniendo un cuerpo de 1 kg de masa (por ejemplo una bolsita con arena) que se encuentra quieto a cierta distancia del suelo (que tomaremos como referencia). Supongamos, también, que lo soltamos y cae libremente llegando al piso en un segundo.

Por tratarse de una caída libre (despreciamos aquí el efecto del aire) podemos calcular a qué altura se encontraba la bolsita haciendo h = ½ . g . t2 ( un medio de g por el tiempo al cuadrado). En nuestro caso resulta h = ½ . 10 m/s2 . (1s)2 = 5 metros.

Podemos también calcular la velocidad con la que llegará al suelo haciendo V = g . t

La velocidad justo antes de chocar será de 10 m/s.

Calculemos ahora la energía mecánica de la bolsita a 5 metros (donde se la soltó) y en el suelo justo antes de chocar:

• Arriba de todo la EM = Ec + Ep = 0 + 50 J = 50 J (la EC es cero porque la bolsa está quieta).
• Al llegar al piso la EM = Ec + Ep = 50 J + 0 = 50 J (aquí la Ep es cero porque la bolsa está a una altura 0).

Como se ve en el ejemplo la energía mecánica se ha conservado. Los 50 Joules de EM están presentes arriba y abajo. En el punto más alto son todos de energía potencial; en el suelo los 50 son de energía cinética.
Podemos verificar que en cualquier otro punto del recorrido la suma de Ec y Ep dará 50 Joules. Por ejemplo, a los 0,3 segundos de caída las energías valen Ec = 4,5 J y Ep = 45,5 J (puedes verificarlo haciendo los cálculos).
¿Qué hubiese ocurrido si el rozamiento con el aire afectase la caída?
Bueno, pensémoslo de esta manera:
Si hay rozamiento, sobre la bolsa no actuaría solamente la fuerza de gravedad, sino que, además del peso (vertical hacia abajo) aparecería la fuerza de fricción (vertical y hacia arriba). Como estas fuerzas son opuestas la resultante daría un valor menor que el peso. En estas condiciones la aceleración del cuerpo al caer ya no sería 10 m/s2 sino algo menor (recordar la segunda ley de Newton).
Como consecuencia de ello la velocidad de la bolsita al llegar al suelo no llegaría a ser 10 m/s y su Ec resultaría menor que 50 J.
Pero entónces ¿qué pasó con la Energía Mecánica?. Nada raro, simplemente una parte de ella se habrá transformado en algún otro tipo de energía.
Vemos pues que en ausencia de fuerzas externas que disipen energía (como el rozamiento) la Energía Mecánica se conserva.
Pero si hay fuerzas como la fricción la suma de energía potencial y cinética ya no se mantendrá constante.
En general las situaciones de conservación son ideales, es decir, de una u otra forma algo de energía se pierde en los procesos. Pero dentro de los límites que hemos impuesto para el estudio de la energía mecánica en Física B, admitiremos la validez y aprovecharemos la utilidad de la llamada ley de conservación de la energía mecánica la cual afirma que:

• En un sistema aislado la energía mecánica se conserva

En situaciones ideales (sin rozamiento) el péndulo de la figura oscilaría permanentemente. En ese movimiento de vaiven las energías potencial y cinética estarían cambiando constantemente pero la suma de ellas se mantendría constante.

Y bien. Es tranquilizante saber que, en un mundo tan cambiante, hay cosas que permanecen constantes. En el marco conceptual de la física las leyes de conservación (de la energía, la masa, la cantidad de movimiento, la carga, etc) juegan un rol muy importante y constituyen una herramienta muy eficaz para la interpretación y justificación de muchos fenómenos naturales.

Ah! Y aunque no sea una ley física: "Conserve el buen humor, la predisposición y el entusiasmo para seguir descubriendo este mundo maravilloso de la ciencia.

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