La Energía Mecánica (I)

El concepto de energía es uno de los más importantes de la ciencia. Todo cambio o proceso en la naturaleza se relaciona con la energía. Y así como existe una variedad de fenómenos diferentes como calentar agua, encender una lámpara, quemar un papel, golpear un clavo con el martillo o pulsar la cuerda de una guitarra, aparecen diferentes tipos de energía involucrados: térmica, eléctrica, lumínica, química, de movimiento, etc.
Es difícil decir qué es la energía; actualmente la ciencia no dispone de una definición precisa del término (como expresó en cierta oportunidad el premio Nobel de física Richard Feynman “Es importante constatar que en la física de hoy, no sabemos lo que es la energía.”).
Pero el hecho de no poder definirla no nos impide que la utilicemos, la reconozcamos y sepamos cosas de ella. Después de todo, que nos resulte muy difícil definir el color rojo, no nos limita para que reconozcamos la luz roja del semáforo, pintemos de rojo un banquito de la cocina o llamemos a un equipo de fútbol “los rojos de Avellaneda”. Pero, más allá de la simple analogía, parece ser que cuánto más fundamental es un concepto más complicado es definirlo: energía, masa y tiempo están en esta categoría.

Todo parece indicar que la energía tiene dos características básicas: por un lado no se crea ni se destruye y, en segundo lugar, puede cambiar de un tipo de energía a otro. (para que estas definiciones fuesen rigurosamente válidas deberíamos incluir a la masa como otra manifestación de la energía, pero para nuestros objetivos es suficiente considerarla de esa manera).
De acuerdo con lo dicho cuando un tipo de energía “desaparece” o “se gasta” alguna otra forma aparece. A modo de ejemplos:

• La energía eléctrica suministrada por las pilas se transforman en luz y calor al encender una linterna
  

• La energía de movimiento que ponemos en juego al frotar nuestras manos se traduce en calor
  

• La energía acumulada al tensar un arco se transformará, al liberarlo, en energía de movimiento de la flecha.
  
  En Física B nos detendremos a analizar tres de esos tipos de energía: la de movimiento (cinética), las que tienen que ver con fuerzas (potenciales) y la que está relacionada con el calor (térmica).

La Energía Cinética es la que posee un cuerpo que se está moviendo. La energía de un cuerpo en movimiento depende de dos características fundamentales: su masa y la velocidad.

Como siempre, es posible deducir una expresión matemática que indique la relación entre las magnitudes y nos sirva para calcular la energía cinética de un objeto. Si bien el desarrollo no es complejo nos limitaremos a contar el final de la historia y diremos que EC = ½ m.v2 (un medio de la masa por el cuadrado de la velocidad). Esta ecuación nos muestra que la energía de un cuerpo en movimiento es proporcional a su masa, es decir, si un cuerpo tiene el doble de masa que otro, y ambos se mueven con la misma velocidad, el primero tiene el doble de energía cinética. Por otro lado, la energía es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto significa que si dos objetos tienen la misma masa, y uno se desplaza con el doble de velocidad que el otro, el que va más rápido posee cuatro veces más energía de movimiento.

Supongamos sostener, quieto, un objeto a cierta altura del suelo. Podría ser una moneda, un florero, sus anteojos o cualquier otro objeto, para el caso da lo mismo (eso sí, si va a hacer el ensayo experimental, elija el primero; aprender aprenderá igual y se ahorrará un dolor de cabeza). Este objeto, quieto donde está, no posee energía cinética ya que, si bien tiene masa, su velocidad es cero. ¿Qué ocurre si soltamos el objeto? Debido a la fuerza de atracción gravitatoria el cuerpo comenzará a caer aumentando progresivamente su velocidad. Despreciando la resistencia del aire podemos admitir que cae en caída libre. Al final del recorrido, y justo antes de chocar, el objeto habrá adquirido su máxima velocidad producto de haber estado acelerando durante todo el recorrido. Salvo en el instante inicial (cuando su velocidad era cero), el objeto tendrá una energía cinética que irá en aumento. Pero ¿de dónde sale esta energía?. Tal como expresamos más arriba la energía no puede crearse de la nada. Si "aparece" energía cinética es porque algún otro tipo de energía está "desapareciendo". Dicho de otra manera: se produjo una transformación de energía. Esta otra energía, estaba almacenada o acumulada en el cuerpo cuando se encontraba quieto a cierta distancia del suelo y fue, a lo largo del recorrido, transformándose en energía cinética. A esta energía que el objeto tiene almacenada la llamamos Energía Potencial Gravitatoria o Gravitacional. Se la suele llamar energía de posición porque depende del lugar donde se encuentra el objeto.

Las energías potenciales están asociadas a fuerzas y, a diferencia de la energía cinética que es algo perteneciente al cuerpo, las energías potenciales involucran un sistema (recordemos que las fuerzas son resultados de interacciones). La energía potencial gravitacional tiene que ver con las fuerzas gravitatorias, pero existe energía potencial elástica, eléctrica, etc., dependiendo del tipo de interacción involucrada.

Presentamos aquí la ecuación que permite calcular la energía potencial gravitacional de un cuerpo y estimar la relación entre las magnitudes: Ep = m. g. h (masa por aceleración de la gravedad por altura). Vemos que existe una proporcionalidad directa entre la energía y las tres magnitudes que la definen. Esto significa que, por ejemplo:

• Un piano tiene más energía potencial gravitatoria que un ratón si ambos se encuentran a la misma altura de la superficie terrestre
• Una misma maceta tiene más energía potencial gravitacional si se encuentra en el balcón del piso 12 que en el del piso 5
• La energía potencial de un martillo es mayor cuando es sostenido por un astronauta, a una misma altura, en la Tierra que en la Luna ( donde g es seis veces menor)

Sólo un par de cosas más acerca de la energía.

• Se define la Energía Mecánica como la suma de las energías cinética y potencial de un cuerpo. En símbolos EM = Ec + Ep.


• La unidad en que se expresa la energía en el sistema internacional es el Joule. Es una unidad derivada y compuesta Joule = kg.m2/s2 (kilogramo por metro cuadrado sobre segundo cuadrado)

Hasta aquí hemos analizado esta cuestión de la energía mecánica: definiciones, características, ecuaciones y unidades. Queda para otro encuentro discutir un aspecto de suma importancia para la física que es la ley de conservación de la energía.

Por ahora es bastante ... vaya, descanse, tome algo y... reponga energía.

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