Como vimos en artículos anteriores referidos a la energía, tales como el de Características de la energía, esta magnitud puede definirse de la siguiente manera:
La energía es la capacidad de producir cambios, tanto físicos como químicos.
Muchas veces podemos encontrar una definición más técnica:
La energíaes la capacidad de producir un trabajo.
En este artículo, analizaremos una parte fundamental de este gran tema: las unidades de energía. Como sabemos, las unidades tienen una enorme importancia en las ciencias naturales. En el campo de la medicina, la nutrición, la ingeniería y muchas otras disciplinas, el estudio de la energía se hace imposible si no conocemos correctamente en qué unidades se está midiendo. Por otro lado, a veces ciertas unidades son evidentemente más útiles que otras cuando hablamos de distintos campos de estudio.
Veamos, una por una, cuáles son las unidades de energía más útiles:
Las unidades de la energía
El joule (o julio), simbolizado como “J”.
El joule es la unidad de energía del Sistema Internacional[note]definida técnicamente como “newton por metro”[/note]. Su símbolo es “J” y se suele utilizar en el campo de la física como una de las unidades de energía más comunes.
Es interesante ver que, como todas las unidades, el joule presenta múltiplos y submúltiplos. Lo que se encuentra comúnmente en la vida cotidiana es el “kilojoule” (representado por el símbolo “kJ”). Un kilojoule es igual a 1000 joules, es decir:
\( 1 kJ = 1000 J \)
¿Cómo hacemos para pasar de J a kJ? Es muy sencillo mediante la aplicación de la regla de tres simple. Veamos el siguiente ejemplo:
¿Cuántos kJ corresponden a 8500 J?
Para poder hacerlo, planteamos una regla de tres simple tal como observamos a continuación:
Como vemos, para resolver una regla de tres, debemos multiplicar cruzado y dividir por el valor que se encuentra en frente de la equis.
La caloría, simbolizada como “cal”.
La caloría es la unidad más utilizada (junto con sus múltiplos y submúltiplos) en el campo de la termodinámica y la nutrición. Seguramente te sonará familiar, pues el valor energético de los alimentos suelen presentarse en “kilocalorías (kcal)”, que corresponde a un múltiplo de la caloría, exactamente igual a 1000 cal. Es decir:
\( 1 kcal = 1000 cal \)
En este punto, es importante mencionar que la unidad “kilocaloría” es equivalente a la llamada “Caloría” (con C mayúscula), cuyo símbolo es “Cal”. Algunos autores la llaman “Caloría Grande”. Podemos entonces establecer la relación: \( 1 kcal = 1 Cal = 1000 cal\)
Para pasar de calorías a joules, se utiliza la siguiente equivalencia:
\( 1 cal = 4,185 J \)
Veamos un ejemplo de cómo pasar calorías a joules:
¿A cuántos J corresponden 250 cal?
Aplicamos regla de tres simple mediante la equivalencia mencionada anteriormente.
Para pasar kcal a J, procedemos de forma similar teniendo en cuenta la siguiente equivalencia:
\( 1 kcal = 4185 J \)
De tal forma, una kcal es igual a 4,185 kJ, es decir:
\( 1 kcal = 4,185 kJ \)
El kilowatt-hora, representado como “kWh”
El kilowatt-hora es una unidad muy utilizada en las facturas de consumo de energía eléctrica domiciliaria o industrial. Muchos confunden el kilowatt-hora con el kilowatt, lo cual representa un gran error, puesto que el kilowatt-hora es una unidad de energía mientras que el kilowatt es una unidad de potencia.
Para saber por qué las empresas prefieren colocar esta unidad antes que el joule, veamos ante todo la equivalencia entre amabas:
\( 1 kWh = 3 600 000 J \)
Por ejemplo:
¿A cuántos joules corresponden 300 kWh, que puede llegar a ser el consumo eléctrico promedio en un hogar?
Como vemos, aplicando regla de tres simple obtenemos el módico número de ¡mil ochenta millones de joules! ¿Se imaginan si utilizáramos a los joules como unidad de medida en nuestras boletas? ¡Sería un gran problema poder leerlos fácilmente!
Aprovechamos este artículo para mostrarles otras unidades de energía comunes:
La energía es como el combustible que hace que las cosas sucedan en el mundo a nuestro alrededor. Ya sea que estemos corriendo, encendiendo una bombilla o cocinando nuestra comida, todo requiere energía. Pero, ¿cómo medimos esa energía? Bueno, usamos diferentes unidades para hacerlo, y aquí te presento algunas de las más importantes:
Caloría: Empecemos con la caloría. Esta es una medida de energía que usamos para describir cuánta energía nos proporciona la comida que comemos. Cuando ves la cantidad de calorías en una etiqueta de alimentos, te está diciendo cuánta energía obtendrás de comer esa comida.
Caloría grande (Cal): Ahora, imagina una Caloría con “C” grande. Es igual a 1000 calorías pequeñas. Es como si la caloría se vistiera con un traje elegante y se hiciera más grande. Es importante saber esto porque a veces vemos las calorías escritas con “C” grande, especialmente cuando hablamos de la energía que usamos en nuestra casa.
Joule: Cambiemos de marcha a otra unidad de energía: el joule. El joule es la unidad de la energía en el Sistema Internacional. A menudo lo usamos para hablar sobre la energía en situaciones diferentes, como cuánta energía se necesita para levantar algo pesado o para hacer funcionar una máquina. La relación, como hemos visto antes, es: 1 cal = 4,18 J
Kilojoule: ¿Recuerdas el prefijo “kilo” que significa mil? Bueno, el kilojoule es igual a 1000 joules. Es útil cuando necesitamos hablar sobre grandes cantidades de energía, como cuánta energía quema una persona cuando corre una maratón.
Kilovatio-hora (kWh): Esta es una medida que usamos mucho en nuestras casas para medir cuánta energía usamos. Piensa en ello como la cantidad de energía que usas cuando dejas encendida una bombilla de 100 vatios durante 10 horas. Es una forma práctica de entender cuánta energía gastamos en nuestras actividades diarias. Podemos definirla, como dijimos antes, según 1 kWh = 3.600.000J
Electronvoltio: Por último, tenemos el electronvoltio. Es una medida de energía muy pequeña que usamos en la física, especialmente cuando hablamos sobre cosas muy pequeñas, como partículas subatómicas. Es como el pequeño héroe que nos ayuda a entender el mundo invisible a nuestro alrededor. Un electrónvoltio es la cantidad de energía que un electrón gana cuando se mueve a través de un campo eléctrico de un voltio. Se define la relación 1 eV = 1,602e−19 joules.
En resumen, estas unidades nos ayudan a entender cuánta energía usamos, ya sea para alimentarnos, iluminar nuestras casas o explorar los secretos del universo. Entender estas unidades es importante porque nos permite ser conscientes de cómo usamos y conservamos la energía en nuestras vidas diarias.
Actividades
1. ¿A cuántos kWh corresponden 90 000 joules? [expand title=”Haz click aquí para ver la respuesta y su resolución” swaptitle=”Haz click aquí para comprimir”]
Teniendo en cuenta que 1 kWh corresponde a 3 600 000 J, establecemos una simple regla de tres simple y obtenemos que 90 000 J corresponden a 0,025 kWh. [/expand]
2. ¿A cuántos kWh corresponden 180 000 000 J? [expand title=”Haz click aquí para ver la respuesta y su resolución” swaptitle=”Haz click aquí para comprimir”]
Teniendo en cuenta que 1 kWh corresponde a 3 600 000 J, establecemos una simple regla de tres simple y obtenemos que 180 000 000 J corresponden a 50 kWh. [/expand]
3. Convierte las siguientes unidades de energía:
2,45 kWh a J.
2.690 cal a J.
5.400.000 cal a kWh
34.520 J a kcal
[expand title=”Haz click aquí para ver las respuestas” swaptitle=”Haz click aquí para comprimir”]
La Ley de Enfriamiento de Newton expresa que la tasa de pérdida de calor de un cuerpo es proporcional a la temperatura entre el cuerpo y sus alrededores. En el presente artículo, hablaremos sobre la Ley de Enfriamiento de Newton, una de las leyes fundamentales en el estudio de la Termodinámica. Comencemos repasando lo ya sabido hasta este momento:
La Ley de Enfriamiento de Newton recibe su nombre en honor a Sir Isaac Newton, científico inglés que la estudió, famoso por sus tres leyes del movimiento.
Los cuerpos calientes ceden su calor a los cuerpos que se encuentran a menor temperatura. Así, por ejemplo, un cuerpo que tiene una temperatura inicial de 50ºC, al cabo de un tiempo alcanzará la temperatura ambiental (por ejemplo, de unos 25ºC).
¿Pero la “caída” de temperatura de un cuerpo es constante a través del tiempo? Bueno, realmente no. De hecho, si un cuerpo en una hora ha bajado 10ºC, no significa que tendrá que bajar 20ºC en dos horas. ¿Entonces, cómo desciende realmente la temperatura? Es aquí donde debemos analizar la Ley de Enfriamiento de Newton estudiando de qué variables depende nuestro experimento.
Newton calentó una barra de hierro hasta llevarlo al rojo vivo. Después, colocó esa barra en un ambiente muy frío y registró el tiempo que tardaba el bloque en enfriarse. Con estos datos, estableció la ley que lleva su nombre, la cual nos dice que:
\( \frac{\Delta Q}{\Delta t}=h\cdot A \cdot \Delta T\)
¿Qué significa todo eso? Vamos por parte. \( \frac{\Delta Q}{\Delta t} \) designa la cantidad de calor cedido al medio en un determinado tiempo. h designa un valor constante, es decir, un número que depende del material. Se llama “coeficiente de convección”. En la figura 1, podemos encontrar algunos de ellos. h es el área. \( \Delta T \) es la diferencia de temperatura (es decir, temperatura final menos temperatura inicial).
Esta expresión, en otras palabras, describe la transferencia de energía que un cuerpo caliente cede al medio y es conocida como Ley de Enfriamiento de Newton.
En el Sistema Internacional, \(x \frac{\Delta Q}{\Delta t} \) se medirá en J/s. Esto es exactamente lo mismo que watt. Es decir, \( \frac{\Delta Q}{\Delta t} \) puede ser medido también en watts. Por otro lado, el coeficiente h (coeficiente de convección) es medido en J/(s.m².°C), o bien W/(m².K). El área será medida en m² y la temperatura en °C o K.
Veamos algunos coeficientes:
Medio
h
Convección libre en el aire.
5-25 W/(m².K)
Convección libre en agua.
500 – 1 000 W/(m².K)
Convección forzada en el aire.
10 – 500 W/(m².K)
Convección forzada en el agua.
100 – 15 000 W/(m².K)
Vapor condensado.
2 500 – 25 000 W/(m².K)
Agua hirviendo.
5 000 – 100 000 W/(m².K)
Ley de enfriamiento de Newton – Ensamble de Ideas, fácil de entender, fácil de aprender. – Copyright MMXXII
Es hora de analizar un concepto muy importante para la industria: la potencia eléctrica. La potencia eléctrica se define como el producto entre el voltaje y la intensidad de un circuito eléctrico. En otros términos, la potencia eléctrica es también la cantidad de energía disipada por unidad de tiempo.
Cálculo de potencia según el voltaje y la intensidad: Po = ΔV · I
Sí. Ya sabemos que es muy posible que hayas llegado a este artículo para resolver tus tareas de física y necesites un par de fórmulas que te ayuden a resolver complicados ejercicios. No te asustes, no todo es tan difícil como parece. Es por eso que nos metemos de lleno al estudio de estas ecuaciones matemáticas. ¡Veamos!
La primera definición dada de potencia eléctrica nos decía que:
\( Po=\Delta V\cdot I \) (Ecuación 1)
donde Po es la potencia buscada, ΔV es el voltaje[note]También llamado “diferencia de potencial” o “tensión eléctrica”[/note] e I es la intensidad del circuito.[note]La última definición presentada sale a partir de nociones muy básicas de energía que hablamos en otros artículos de nuestro portal. ¿Existirá una relación entre las cargas eléctricas de un circuito y la potencia eléctrica? ¡Por supuesto! Pero para poder entenderla mejor será necesario llegar al final de nuestro artículo.[/note]
Entonces, apliquemos un ejemplo concreto de la Ecuación 1.
1. ¿Cuál es la potencia eléctrica de un circuito que presenta una diferencia de potencial de 15 V y una intensidad de 2 amperios? Rta: Es muy sencilla la resolución.
Simplemente, utilicemos la Ecuación \( Po=\Delta V\cdot I \) :
\( Po=\Delta V\cdot I \)
\( Po=15V\cdot 2A \)
\( Po=30W \)
Recordemos que la potencia se mide en watts. Esta unidad (también llamada vatios, se simboliza con la letra W).
Cálculo de potencia según el voltaje y la intensidad: Po = I2 · R
Otra forma de calcular la potencia es aplicando la ecuación:
\( Po=I^{2}\cdot R \) (Ecuación 2)
…en donde Po es la potencia; I es la intensidad y R es la resistencia del circuito. Como vemos, esta ecuación establece una relación entre el amperaje del circuito y su resistencia. Comprenderemos mejor el tema aplicando un ejemplo:
2. ¿Cuál es la potencia de un circuito que presenta una intensidad de 3 A y una resistencia total de 43 ohmios? Rta: Para poder responder esta pregunta, simplemente utilizamos la ecuación 2: \( Po=I^{2}\cdot R \) . A continuación, reemplacemos los datos: \( Po=(3A)^{2}\cdot 43\Omega =387W \)
El conocimiento de las variables tratadas en este informe es fundamental para un buen estudio de los circuitos eléctricos.
se encuentran conectadas a una batería de 12 volt. Calculen la potencia a la que se disipa energía la resistencia. Rta: En este caso, debemos primero calcular la resistencia equivalente entre R1, R2 y R3. Si no recuerdas cómo hacerlo, te recomendamos leer el artículo al que accedes haciendo click aquí.
Como es un circuito en serie, la resistencia equivalente es igual a la suma de las tres resistencias: \( R_{eq}^{1,2}=R_1+R_2+R_3=10\Omega+20\Omega+30\Omega=60\Omega\) . Una vez calculada la resistencia equivalente, deberemos utilizar las ecuaciones indicadas en este artículo para hallar la potencia. No obstante, al observarlas, enseguida nos damos cuenta que no contamos con el valor de la intensidad del circuito, por lo que debemos hallarla primero. Para eso, apliquemos la ley de Ohm, la cual nos dice que:
\( \Delta V= I\cdot R \)
Como ΔV es 12 V y el valor de R es la resistencia equivalente que habíamos hallado antes, entonces podemos calcular el valor de I:
Ahora que tenemos la intensidad, utilizamos la Ecuación 1[note]\(Po=\Delta V\cdot I \) [/note] para hallar la potencia:
\( Po=\Delta V\cdot I=12V\cdot 0,2A=2,4W \)
¿Podríamos haber utilizado la Ecuación 2[note] \( Po=I^{2}\cdot R \) [/note]? ¡Claro! Porque contamos con todos los datos necesarios. ¿Y adivinen qué? El resultado de la potencia eléctrica será el mismo:
4. Una lamparita disipa energía a una potencia de 60W cuando está conectada a 220 V. Calculen su resistencia en esas condiciones y la corriente que circula por ella. Rta: En este caso, primero debemos hallar la intensidad del circuito utilizando la Ecuación 1[note] \( Po=\Delta V\cdot I \) [/note]:
Ésta es, justamente, la corriente que circula por la lamparita que se pide en el enunciado. Una vez hallada la intensidad, aplicamos la ley de Ohm para hallar la resistencia:
5. Si se conectan dos resistencias (una de 20 ohmios y la otra de 30 ohmios) a una bateria de 12V, ¿en qué caso disipará más calor: si están conectadas en serie o en paralelo? Rta: Para este caso, debemos separar en dos partes el ejercicio. Primero, realizarlo como si fuera un circuito en serie. Por otro lado, realizarlo como si fuera un circuito en paralelo. ¡Comencemos!
a) Si el circuito está en serie, la resistencia equivalente entre R1 y R2 es la suma de ambas resistencias; es decir, \( R_{eq}^{1,2}=R_1+R_2=20\Omega+30\Omega+30\Omega=50\Omega \) . Una vez calculada, aplicamos Ley de Ohm para obtener el valor de la intensidad:
Ahora, simplemente hallemos la potencia eléctrica:
\( Po=\Delta V\cdot I=12V\cdot 1A=12W \)
Como vemos, en el circuito en serie, la potencia eléctrica es 2,88W; en el circuito en paralelo, la potencia eléctrica es 12W. Esto significa que, en el circuito en paralelo, se disipará más calor.
Más información
El portal educ.ar presenta un interesante video de Oficios que te enseña cómo calcular la potencia eléctrica y el uso de multímetros para obtener valores relacionados con las variables de Ohm. Te dejamos la primera parte para que te sea útil en tu casa o en tus proyectos personales.
En este artículo analizaremos en profundidad la ley de Coulomb, que nos permite averiguar el valor numérico que adquiere la fuerza electrostática cuando dos cargas eléctricas están interactuando. En todos estos casos, calcularemos sólo la intensidad de la fuerza electrostática. Si llegaste a nosotros, seguro estarás intentando entender el tema y no sólo encontrar lo que puedes hallar en cualquier libro de física. Por eso, déjanos decirte que desde ensambledeideas.com , sabemos que puede ser un tema muy aburrido, pero intentaremos explicártelo de la manera más efectiva e interesante con el fin de que comprendas el tema.
Ante todo, veamos qué es esto de la fuerza electrostática. ¿Nunca intentaste realizar la típica experiencia de frotarte el pelo con una regla y, luego, intentar levantar pequeños papelitos, como se muestra en las imágenes? Podés leer algo al respecto en el artículo sobre electrización.
Una regla cargada previamente atrae los minúsculos papelitos que se encontraban con carga neutra total.
La fuerza electrostática es la que permite que los papelitos sean levantados por la regla, pues entre todas las cargas eléctricas aparece una fuerza atractiva o repulsiva que depende del signo de las cargas. Seguramente, esto te suena conocido porque tus profesores te han dicho que:
Dos cargas de signos opuestos se atraen.
Dos cargas de igual signo se repelen.
Historia de la Ley de Coulomb
Aquí vemos que entre dos cargas eléctricas SIEMPRE existen fuerzas electrostáticas que tienden a juntarlas (como el caso A) o a separarlas (como el caso B). ¿Podremos calcular numéricamente cuánto valen esas fuerzas? Sí. Y es algo bastante sencillo, pero antes veamos un poco la historia de los avances que se realizaron en el estudio de estas fuerzas electrostáticas:
En 1758, el físico Alessandro Volta fue uno de los primeros en estudiar y en poner en práctica la relación entre la fuerza electrostática y la distancia.
El inglés Joseph Prietsley propuso, en 1766, que la fuerza eléctrica disminuye con el cuadrado de la distancia.
Algunos años más tarde, fue Henry Cavendish indicó que las fuerzas no sólo dependen de la distancia, sino también de las cargas eléctricas.
En 1788, fue Charles Coulomb el que divulgó un modelo matemático que permitiera cuantificar la fuerza eléctrica (y, de hecho, logró medirla mediante una balanza ideada por él).
Charles Coulomb (1736-1806)
Veamos qué fue lo que engrandeció a Sr. Coulomb a lo largo de la historia:
¡Atención! ¡ALERTA DE TRABALENGUAS CIENTÍFICO! Siga leyendo bajo su responsabilidad.
La intensidad de la fuerza es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa.
Charles Coulomb (1736-1806)
¡Espera! ¡¿Qué?! ¡Un poco más despacio, por favor!
Lo que nos está diciendo Coulomb es que la fuerza electrostática -ésa que dijimos que hacía levantar los pequeños papeles cortados cuando los acercábamos a una regla previamente cargada- no es siempre la misma para cualquier caso (¡obviamente!) sino que va a depender de varios factores. Esos factores son: las cargas eléctricas involucradas y la distancia que las separa. (¿Un poco más claro, verdad?). Veamos ahora esta frase en términos matemáticos (¡un poquito más de esfuerzo!):
¿Qué nos dice la Ley de Coulomb?
La Ley de Coulomb nos queda, entonces, expresada como:
\( F_e=k\cdot \frac{q_{1}\cdot q_{2}}{r^{2}}\)
donde F es la Fuerza Electrostática, q representa a las cargas y r la distancia que separa a las cargas. Falta algo muy importante para terminar de explicar este tema: ¿quién es k? Muy simple, k es una cosntante llamada constante de la Ley de Coulomb y es igual a: \( k=9\cdot 10^{9} \frac{N\cdot m^{2}}{C^{2}}\). Este valor NO CAMBIA nunca. Es el mismo siempre, sea cual sea el ejercicio que estés realizando, ¿entendido? Es decir, cada vez que veas k en un ejercicio, deberás reemplazarlo por ese valor.
¡Animémosnos ahora a hacer algunos ejercicios aplicando esta maravillosa ley!
En todos los casos, usa el valor de: \( k=9\cdot 10^{9} \frac{N\cdot m^{2}}{C^{2}}\)
Ejemplos de Ley de Coulomb paso por paso
Ejemplo 1 de Aplicación de Ley de Coulomb (para 2 cargas)
Un sistema está formado por dos cargas que se atraen, separadas entre sí por 0,3 m. Si los valores de las cargas son: \( q_{1}=2\cdot 10^{-6}C\) y \( q_{2}=1,6\cdot 10^{-7}C\) ¿Cuánto vale la fuerza electrostática \( F\)?
Ejemplo 2 de Aplicación de Ley de Coulomb (para 3 cargas en triángulo rectángulo)
Un sistema está formado por tres cargas eléctricas, dispuestas en un triángulo rectángulo como muestra la figura 1, separadas entre sí por distintas distancias exhibidas en el esquema. Si los valores de las cargas son: \( q_{1}=2\cdot 10^{-6}C\) , \( q_{2}=2\cdot 10^{-6}C\) y \( q_{3}=2\cdot 10^{-6}C\) ¿cuánto vale la fuerza electrostática neta F sobre la carga q1?
Fig. 1: Disposición de tres cargas en forma de triángulo rectángulo.
Vamos paso por paso:
Primero, identifiquemos que el ejercicio nos proporcione la distancias que hay entre la carga sobre la cual estamos analizando la fuerza neta (en este caso q1) y las otras dos cargas (q2 y q3). Como vemos, ya contamos con todas estas distancias. También tenemos los valores de todas las cargas, como corresponde.
Segundo, debemos calcular las fuerzas eléctricas que se experimentan entre q1 y q2 y entre q1 y q3. Recordemos que necesitamos la fuerza neta sobre q1, por lo que la fuerza eléctrica entre q2 y q3 no es importante para la resolución de este ejercicio.
Para poder hacerlo, usamos la Ley de Coulomb para obtener la fuerza eléctrica entre q1 y q2 utilizando los datos proporcionados.
Por último, aplicamos Pitágoras para evaluar el valor de la fuerza eléctrica.
¿Por qué tenemos que realizar Pitágoras para hallar la fuerza eléctrica resultante? Si te interesa saberlo, no dudes en expandir esta sección para que te demostremos por qué. [expand] Sucede que la fuerza eléctrica entre la primera y la segunda carga es un vector que tiene dirección horizontal, sentido hacia la izquierda. Por otro lado, el vector de fuerza eléctrica entre la primera y tercera carga tiene dirección vertical y sentido hacia la derecha.
Aplicando lo aprendido en “¿Cómo sumar fuerzas concurrentes?”, sabemos que para hallar el vector resultante de ambas fuerzas eléctricas debemos pensar que dicho vector es la hipotenusa de un triángulo rectángulo cuyos catetos son, justamente, las fuerzas eléctricas calculadas previamente. [/expand]
Sabiendo que \(F_{e_{q_{1},q_{2}}}=40N\) y que \(F_{e_{q_{1},q_{3}}}=22,5N\), planteamos Pitágoras:
Dos cargas de igual magnitud (unos 3,4C) están separadas entre sí por 4,4m. ¿Cuál es la fuerza eléctrica experimentada por cada carga? Conoce la respuesta expandiendo aquí. [expand] Rta: \( 5,3\cdot 10^{9}N\) [/expand]
Una carga de 2.10² C y otra carga de 2,6.10³C están separadas por una distancia desconocida. Si la fuerza que experimentan es de 3,6.10³ N, ¿cuál es esa distancia? Conoce la respuesta expandiendo aquí. [expand] Rta: \( 1,14\cdot 10^{6}N\) [/expand]
Las cargas \( q_{2}=2\cdot 10^{-6}C\) y \( q_{3}=2\cdot 10^{-6}C\) de la Figura 2 se encuentran separadas ahora por una distancia de 0,8m cada una respecto de \( q_{1}=2\cdot 10^{-6}C\). ¿Cuál será la fuerza eléctrica total neta sobre \(q_{1}\) en esta situación? Conoce la respuesta expandiendo aquí. [expand] Rta: \( 7,9N\) [/expand]
La primera hipótesis sobre la naturaleza de la luz la formuló Isaac Newton[note]Isaac Newton, de nacionalidad inglesa, nació en 1642 y falleció en 1727[/note] a fines del siglo XVII.
Si bien no descartó las posibilidades de que la luz sea de naturaleza corpuscular u ondulatoria, es decir que esté formada por partículas u ondas, respectivamente, sus investigaciones le hicieron pensar que la luz estaba formada por pequeñísimas partículas que provienen del cuerpo luminoso.
Es así como nació la teoría corpuscular. Esta teoría sería retomada por Albert Einstein[note]Albert Einstein, físico alemán (1879-1955)[/note] en 1905, que explicaba un curioso efecto descubierto por Heinrich Hertz[note]Heinrich Hertz, físico alemán (1857-1894)[/note], según el cual cuando un cuerpo cargado de electricidad era iluminado, se desprendían de él electrones y podía conducir la electricidad.
Albert Einstein, físico alemán (1879-1955).
Este fenómeno, llamado efecto fotoeléctrico, no podía ser explicado si no se admitía que la luz estaba formada por pequeños corpúsculos sin masa llamados fotones.
Evidentemente, existieron científicos que apoyaron la idea de que la luz tenía una naturaleza ondulatoria, como Christian Huygens (1629-1677), que vivió en la misma época de Newton, que se opuso a la teoría corpuscular, afirmando que la luz se transmitía por medio de ondas de modo semejante al sonido.
Según Huygens, la velocidad de la luz es menor al penetrar un medio más denso, porque el frente de ondas encontraría mayor dificultad para avanzar, lo que es contrario a lo que postulaba la teoría corpuscular. En experimentos posteriores, se comprobaría lo que había dicho Huygens.
Entonces, ¿la luz es una onda o una partícula? Actualmente, los científicos están de acuerdo en aceptar que la luz actúa como onda y como partícula a la vez.
Algunos experimentos pueden ser explicados asumiendo que la luz es una onda, mientras que otras experiencias pueden ser explicadas pensando a la luz como una partícula. ¡Asombroso!
En este artículo hablaremos sobre conducción, convección y radiación, las tres formas en las que la energía puede transferirse.
Ejemplos de transferencia de energía
Seguramente, ya sabes que el calor es transferencia de energía. El problema que se puede presentar ahora es saber cómo ocurre esa transferencia de energía. ¿Existen varias formas? ¿Hay una sola forma de transferir energía de un cuerpo a otro? Para responder estas preguntas, analicemos las siguientes situaciones:
Un chico coloca una sartén sobre la hornalla prendida de su cocina, con la intención de sofritar las cebollas que necesita para su salsa. Al tocar sin querer una parte de la sartén que no estaba en contacto directo con el fuego, el chico se quema causándole una dolorosa ampolla.
Una adolescente escucha su música preferida subiendo el volumen de su radio mientras envía un mensaje por Whatsapp.
Algunos animales utilizan las corrientes oceánicas generadas por las diferencias de temperatura en el agua para migrar desde un punto hasta otro, situado a cientos de kilómetros.
Estos tres casos presentan diferentes cambios que involucran energía. En los tres, existe una transferencia de energía que ocurre de formas muy diferentes. ¿Cuáles son estas formas? Es sencillo analizar profundamente los tres casos si estudiamos cuáles son las maneras de transferir de energía:
Formas de transferencia de energía:
Conducción
Es una manera en la que se transmite la energía en medios sólidos. Esto ocurre porque la energía se va transmitiendo directamente entre átomo y átomo debido a las vibraciones de estos.
Expliquemos mejor la situación. Imaginemos un cuchillo que se encuentra expuesto al fuego. Llamaremos “Zona A” a la zona que se encuentra en contacto directo con la llama, mientras que la “Zona B” no está en contacto directo. Podemos asegurar que, al cabo de un tiempo, la zona B estará tan caliente como la zona A.
Para explicar esto, hagamos un “zoom” al cuchillo. Si fuésemos capaces de ver los átomos del cuchillo, veríamos que está compuesto por millones de átomos ordenados uno al lado del otro. Cuando se calienta el grupo de átomos de la zona A (en contacto directo con el fuego), éste comienza a vibrar, afectando al grupo de átomos que se encuentra inmediatamente después, haciendo que comience a vibrar al transferirle su energía.
Este segundo grupo de átomo hará lo mismo con el que se encuentre al lado y así sucesivamente. Al cabo de un tiempo, todos los átomos se encontrarán vibrando y habrán levantado la temperatura de todo el cuchillo, transfiriendo así la energía desde los átomos de la zona A hasta la zona B.
Si bien la conducción ocurre en todos los materiales (es decir, necesita de un medio para transferirse la energía de un punto a otro), ocurre con gran eficacia en los sólidos, especialmente en aquellos que sean buenos conductores del calor por poseer electrones libres, como los metales. Es por ello que las planchas, las sartenes, ollas y muchos instrumentos de cocina se realizan con metales, para favorecer la cocción del alimento.
Convección
Las corrientes océanicas son producto de la convección, al igual que el viento en la atmósfera, que produce las olas.
Ocurre solamente en fluido; es decir, se presenta en líquidos y gases. Podría definirse como una transferencia de energía que se da entre zonas a diferentes temperaturas. Por ejemplo, observemos la figura 1. Los sucesivos desplazamientos de materia desde zonas más frías a zonas más calientes (y viceversa) del fluido, por exposición a una fuente de energía (como el fuego), crean corrientes convectivas. En la atmósfera, las corrientes convectivas forman los vientos; en los océanos, forman las corrientes oceánicas, como la de El Niño o la Corriente Occidental Australiana (una muy popular película de Disney-Pixar hablar sobre ella).
Corrientes convectivas.
Radiación
Es una transferencia de energía que no necesita de ningún medio para que ocurra. Esto significa que la energía podrá transmitirse tanto en sólidos y fluidos como en el vacío, tal como sucede en el espacio interplanetario. Analicemos mejor la situación.
La radiación permite que la energía de las estrellas como el Sol llegue a todos los cuerpos que se encuentran a su alrededor.
Una fuente de radiación como el Sol libera grandes cantidades de energía (como la térmica o la lumínica) que nos llega a la Tierra haciendo posible la vida. Si bien en la atmósfera es una masa gaseosa de aire y la energía solar la atraviesa permitiendo la fotosíntesis, en el espacio no hay aire o algún medio material. Aun así, la transferencia de energía es posible.
Esto sucede con todos los tipos de radiación que existen debido a que la transferencia de energía se realiza mediante ondas electromagnéticas. Te recomendamos leer el artículo sobre radiación para comprender mejor este tipo de transferencia de energía. La energía radiante que nos permite escuchar la radio todas las mañanas o ver televisión se transmite por este medio.
Actividades
En base a la información de este artículo, explica los ejemplos del principio de la nota de acuerdo a si son casos que presentan convección, conducción o radiación.
Los colores encantan a todos. Los bellos colores que vemos en un paisaje primaveral, con rosas de múltiples colores (no sólo rosadas), o en un paisaje otoñal (donde las hojas de los árboles exponen los amarillentos pigmentos que presentan, debidos a la xantofila y los carotenos), exponen la maravilla de la luz, un tipo de energía que se transmite en forma de ondas electromagnéticas[note]Hoy en día se acepta la dualidad onda-partícula, según la cual la luz se comporta como ondas o como partículas, dependiendo la experiencia tratada.[/note].
La luz blanca está compuesta por todos los colores del arcoiris y esto puede ser demostrado fácilmente haciendo pasar un haz de luz blanca por un prisma, como lo hizo Isaac Newton durante sus estudios sobre óptica. Es éste, justamente, el principio por el cual se forman los arcoiris: las pequeñas gotas de agua actúan como prisma que separa la luz blanca del sol en los siete colores del arcoiris, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta, brindándonos un espectáculo único.
Los siete colores del arcoiris, rojo, naranja, amarillo, verde, azul, índigo y violeta
Ahora bien, volvamos a la imagen de nuestro paisaje primaveral. ¿A qué se debe que algunos objetos se vean del color que son? ¿Pueden ser vistos de otros colores sin cambiar ninguna propiedad del objeto? Para responder estas preguntas, tengamos en cuenta lo dicho anteriormente: la luz blanca está formada por todos los colores del arcoiris.
Por otro lado, también tengamos en cuenta que cada color representa una longitud de onda diferente para el espectro visible. ¿Longitud de onda? ¿Espectro visible? ¿Qué es todo eso? Si estas palabras no te suenan, te sugerimos echarle una vista a las características de las ondas electromagnéticas haciendo click aquí.
Refracción de la luz.
Continuemos con la idea. Cuando un frente de ondas de luz blanca incide sobre un objeto que es, por ejemplo, de color verde, ese objeto absorbe todas las longitudes de onda que componían a la luz blanca, menos las longitudes de onda que correspondan al color verde.
En otras palabras, los colores “rebotan” en el objeto, exceptuando el color del que se ve. Así, si un objeto se ve azul, será porque éste absorbe todas las longitudes de onda correspondientes a los otros colores, menos el azul. Al reflejar las longitudes de onda correspondientes al azul (las cuales llegarán a nuestros ojos), el objeto se ve azul.
El caso particular de los objetos blancos y negros.
¿Qué sucede con un objeto que es blanco o que es negro? Un objeto blanco refleja toda la energía radiante que incide sobre él. Es por ello que la ropa blanca es la más apropiada para usar en verano, pues al reflejar la energía proveniente del Sol, se evita insolaciones y que la persona se acalore fácilmente.
Por otro lado, un objeto negro absorbe todas las longitudes de onda. Es por ello que, durante el invierno, la ropa tiende a ser oscura, pues así la persona retiene la mayor cantidad de energía proveniente del Sol, tan importante durante un tiempo frío.
Actividad
En base a esta información, te proponemos una pregunta, que puedes respondernos en los comentarios:
Una lata de gaseosa de una marca “X” es negra. La empresa libera al público una versión dietética de la gaseosa, llamada “X Light”, cuya lata es blanca. Tú decides poner a prueba sus sabores (para ver si realmente son iguales, como tanto publicitan) tomándolas bien frías en un mediodía de verano. Antes de tomarlas, te llaman por teléfono y dejas tus latas al sol por no más de tres minutos. ¿Cuál de las dos versiones de gaseosa piensas que ha subido su temperatura a mayor velocidad? Justifícalo en base a lo visto en este artículo.
Cuando un cuerpo emite energía continuamente, estamos en presencia de lo que llamamos radiación. Esta energía, llamada energía radiante, es transportada por el espacio mediante ondas electromagnéticas. Todos los cuerpos emiten radiación, según sea la temperatura a la que se encuentran. Muchas veces, podemos ver esa radiación (pues se emite en el espectro visible), tal como sucede con la luz visible proveniente del Sol. Pero otras veces, esa radiación es invisible a nuestros ojos, como la radiación infrarroja o la luz ultravioleta. Algunos animales, como las serpientes o las abejas, pueden percibir esas radiaciones.
Muchos cuerpos que no son cuerpos luminosos (es decir, que emiten luz en el espectro visible) pueden emitir luz visible cuando son calentados a altísimas temperaturas. Por ejemplo, si se calienta un trozo de hierro, éste comienza a emitir luz y el color de esa luz cambia dependiendo de la temperatura. Otro ejemplo de la vida cotidiana lo vemos cuando se hace un asado: el carbón que se encuentra a muy altas temperaturas “brilla” en la oscuridad emitiendo luz anaranjada. Los cuerpos que absorben energía aumentan su temperatura, mientras que los que emiten radiación (en otras palabras, emanan energía), bajan su temperatura.
Las características de la RADIACIÓN
Es hora de caracterizar la radiación como transferencia de energía mediante ondas electromagnéticas. La radiación puede:
Transmitirse: puede pasar de un medio a otro. Por ejemplo, la luz solar puede atravesar el vacío del espacio e ingresar en la atmósfera terrestre, compuesta de múltiples gases. Cuando se pasa de un medio a otro, la velocidad de las ondas electromagnéticas que transfieren la energía radiante se modifica, fenómeno que recibe el nombre de refracción.
Absorberse: como dijimos anteriormente, al absorberse la radiación, el cuerpo que lo absorbe modifica su temperatura.
Dispersarse: la radiación modifica sus características al ser devuelta o desviada (separándose, muchas veces, en las diferentes frecuencias que la componen). Ocurre cuando la radiación visible interactúa con una partícula, lo que, por ejemplo, permite que veamos colores en el cielo.
Reflejarse: ocurre cuando la radiación vuelve al medio del cual procede, cambiando sólo su dirección. Por ejemplo, en un espejo “rebotan” las ondas electromagnéticas provenientes de la lámpara que ilumina un baño, sólo cambiando la dirección del frente de ondas.
La principal fuente de radiación de la Tierra es el Sol, que emite energía en muchísimos tipos de radiación del espectro electromagnético, no sólo en el espectro visible. Algunos tipos de radiación (como el espectro visible) es inofensivo para nosotros, pero otros pueden ser muy peligrosos, como la luz ultravioleta que proviene de nuestra estrella. Seguramente te estarás preguntando qué es eso de “espectro electromagnético”. Bueno, analicemos un poco más el tema.
El Espectro Electromagnético
Quizás te parezca extraño el nombre, quizás ya lo habías escuchado antes. El espectro de radiación electromagnética abarca todas las longitudes de onda y frecuencias con las que se propaga la energía a través del espacio. Habíamos dicho que las ondas electromagnéticas no necesitan de ningún medio para transmitirse. Las distintas ondas electromagnéticas generan un espectro que abarca las diferentes longitudes de onda. Éstas son las siguientes:
Rayos Gamma: sus longitudes de onda son las más cortas. Son muy perjudiciales para salud aunque en medicina se los utiliza para detener el cáncer, pues su agresividad frente a las células puede detener la reproducción de tumores.
Rayos X: Poseen una frecuencia entre 1016 Hz y 1019 Hz, originados por el choque de electrones contra cuerpos sólidos que no poseen carga eléctrica. Son importantes en la práctica médica de diagnóstico por imágenes, aunque la exposición de un organismo a estos rayos durante mucho tiempo puede ser fatal.
Rayos ultravioleta (UV): En la naturaleza, son producidas por el Sol y su acción es perjudicial para la vida, por lo que es tan importante la acción filtradora de la capa de Ozono en la atmósfera.
Luz visible: Poseen una longitud de onda entre 400 nanómetros y 680 nanómetros, que pueden ser captados por el ojo humano. Cuando la luz del Sol pasa por un prisma, se descompone en 7 colores (los del arcoiris). Esto demuestra que la luz blanca es, en realidad, la composición de todos ellos. Cada color presenta una longitud de onda diferente.
Rayos infrarrojos: Sus longitudes de onda abarcan desde unos 0,001 mm hasta 1 mm. Generados por todos los cuerpos que liberan calor, son capaces de ser detectados por sensores como células fotoeléctricas. Son invisibles al ojo humano y se produce por el movimiento de las moléculas de los cuerpos.
Microondas: Presentan una frecuencia de alrededor de 1011 Hz y una longitud de onda de alrededor de 1 cm. Se utilizan para la comunicación de radares y satélites y en la cocción de alimentos en un horno de microondas.
Ondas de Radio: Sus longitudes de onda van desde los 10 cm hasta los 10.000 m y una frecuencia desde los 10.000 Hz a 100 mil millones de Hz. Altamente utilizados en telecomunicaciones, permite que, de forma instantánea, se envíen y reciban mensajes de un punto a otro del planeta.
En este artículo de Ensamble de Ideas, estudiaremos las ondas en física. Como sabemos, una onda es una perturbación del espacio. En toda onda, podemos hallar diferentes características que las diferencian: valles, crestas, longitudes de onda, frecuencia, período y amplitud.
Modelo de una onda en física.
Para entender correctamente qué es una onda, debemos entonces analizar cada uno de sus componentes (expuestas en color violeta en el párrafo anterior). Para ello, requerimos definir, primero, el concepto de ciclo. En física, un ciclo es cada patrón repetitivo de una onda. Es el recorrido, que consiste en ir desde una posición extrema a la otra y volver a la primera, pasando dos veces por la posición central.
Sabiendo eso, analicemos una por una las características mencionadas al principio:
Característica
Definición
Valle
En física, un valle es la posición más baja de una onda. Es contrario a la cresta, que es la posición más alta de una onda.
Cresta
En física, una cresta es la posición más alta de una onda. Es el punto de máxima amplitud o máxima elongación de una onda. Es contraria a un valle, que es la posición más baja de una onda.
Longitud de onda
En física, la longitud de onda (denotada usualmente con la letra griega λ), es la distancia entre puntos idénticos sucesivos de una onda, como la distancia entre un valle y el valle siguiente o la distancia entre una cresta y la cresta siguiente. La unidad de la longitud de onda, al ser justamente una distancia, es el metro (con sus múltiplos y submúltiplos). Matemáticamente, se define la longitud de onda como λ=v/f , donde v es la velocidad de la onda y f es la frecuencia. Dado que f=1/T , siendo T el período de la onda, se puede definir también a λ como λ=v⋅T
Período
En física, un período es el tiempo que tarda una onda en completar un ciclo. Matemáticamente, el período se define como: T=1/f, donde T es el período y f es la frecuencia de la onda. La unidad del período en el Sistema Internacional es el segundo.
Frecuencia
En física, la frecuencia de una onda es el número de ciclos que completa la onda en un intervalo de tiempo. Si este intervalo de tiempo es un segundo, la unidad de frecuencia es el Hertz (Hz). Matemáticamente, la frecuencia está relacionada con el período según: f=1/T donde T es el período y f es la frecuencia de la onda.
Amplitud
En física, la amplitud de una onda es la medida de la magnitud de la máxima perturbación del medio producida por la onda.
Es hora de analizar las ondas con un poco más de atención. Por ello, es importante que sepamos cómo clasificarlas de acuerdo a sus características.
La clasificación de las ondas en la física.
Se puede clasificarlas según el sentido de la oscilación y la necesidad de un medio para propagarse:
SEGÚN EL SENTIDO DE LA OSCILACIÓN
Aquí encontramos dos tipos diferente de ondas:
Las ondas longitudinales: Si las partículas que oscilan lo hacen en la misma dirección en la cual se transmite la onda.
Algunos ejemplos de ondas longitudinales son:
Ondas sonoras: Cuando hablas o cuando un altavoz emite sonido, las partículas de aire vibran hacia adelante y hacia atrás en la misma dirección que la onda de sonido viaja.
Ondas de compresión en un resorte: Si tiras de un extremo de un resorte y lo sueltas, las ondas de compresión viajan a lo largo del resorte mientras las bobinas se comprimen y se expanden en la misma dirección en la que viaja la onda.
Ondas sísmicas P: Estas son ondas que se propagan a través del interior de la Tierra en caso de terremotos. Las partículas del suelo vibran en la misma dirección en la que viaja la onda.
Ondas en líquidos y gases: Cuando lanzas una piedra a un estanque, se generan ondas que se propagan hacia afuera desde el punto de impacto. Las partículas del agua se mueven hacia adelante y hacia atrás en la misma dirección que las ondas se desplazan.
Estos ejemplos muestran cómo las ondas longitudinales involucran movimientos de partículas en la misma dirección que la propagación de la onda.
Las ondas transversales: Si las partículas que oscilan lo hacen en forma perpendicular a la dirección en que se desplaza la onda. Ejemplos de éstas son las ondas causadas por un corcho que se arroja en un estanque: las partículas del agua comienzan a oscilar alrededor de su posición de equilibrio y transmiten la perturbación a las partículas vecinas, que comienzan a oscilar. La onda, por su parte, adopta un movimiento perpendicular al de las partículas del agua.
Ondas en una cuerda tensa: Si agitas un extremo de una cuerda tensa, las ondas se propagan a lo largo de la cuerda, mientras que las partículas de la cuerda oscilan verticalmente (perpendicularmente a la dirección de propagación).
Ondas electromagnéticas: La luz visible, las ondas de radio, las microondas y otras formas de radiación electromagnética viajan en forma de ondas transversales. En este caso, los campos eléctricos y magnéticos oscilan perpendicularmente entre sí y a la dirección de propagación de la onda.
Ondas en la superficie del agua: Cuando lanzas una piedra en un estanque, se generan ondas en la superficie del agua. Las partículas de agua se mueven hacia arriba y hacia abajo, perpendicularmente a la dirección de propagación de las ondas.
SEGÚN LA NECESIDAD DE UN MEDIO PARA PROPAGARSE
No todas las ondas pueden transmitirse en los diferentes medios, tales como un sólido, un fluido o, incluso, el vacío. De esta forma, clasificamos las ondas en:
Ondas mecánicas: tal como las ondas sonoras, este tipo de ondas necesita sí o sí de un medio en el cual transmitirse, ya sea sólido o un fluido, como el líquido o el gas. Esto explica por qué, en el espacio, el sonido no se escucha (pues no hay un medio material que lo transmita). ¡Oh, Star Wars, nos has mentido todo este tiempo!
Algunos ejemplos de ondas mecánicas son:
Ondas de sonido en el aire: Cuando hablas, la vibración de tus cuerdas vocales crea ondas de presión en el aire. Estas ondas viajan como compresiones y expansiones sucesivas en la misma dirección en la que se propagan, lo que constituye una onda longitudinal.
Ondas sísmicas S: Durante un terremoto, las ondas sísmicas S viajan a través de la Tierra. Estas ondas de corte hacen que las partículas del suelo se muevan perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Ondas en una cuerda tensa: Al tocar una cuerda de guitarra, se generan ondas mecánicas transversales. Las partículas de la cuerda se mueven perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda, creando patrones de crestas y valles.
Ondas en un resorte: Si sujetas un extremo de un resorte y lo agitas, se propagarán ondas a lo largo de él. Las partículas del resorte se moverán perpendicularmente a la dirección en que viajan las ondas, comprimiendo y expandiendo el resorte.
Ondas en la superficie del agua: Cuando arrojas una piedra en un estanque, se forman ondas que viajan a través del agua. Las partículas de agua se mueven hacia arriba y hacia abajo, perpendicularmente a la dirección de propagación de la onda.
Anímate a escribir en comentarios cuáles de las ondas anteriores corresponden a longitudinales y cuáles a transversales.
Ondas electromagnéticas: tal como la luz, este tipo de ondas no necesita obligatoriamente de algún medio para transmitirse. Puede hacerlo tanto en el vacío, como en un líquido, sólido o en un gas. Te recomendamos leer el artículo sobre las diferentes ondas electromagnéticas que existen en la naturaleza para saber más sobre este tema.
Si bien puedes ver todos los tipos de ondas del espectro electromagnético en nuestro link específico, te dejamos algunos ejemplos de ondas electromagnéticas:
Luz visible: La luz que vemos todos los días es un ejemplo de onda electromagnética. Las ondas de luz viajan a través del vacío del espacio y también pueden propagarse a través del aire u otros medios transparentes. En una onda de luz, los campos eléctrico y magnético oscilan perpendicularmente entre sí y a la dirección de propagación de la onda.
Ondas de radio: Las ondas de radio, utilizadas para transmitir señales de radio y televisión, también son ondas electromagnéticas. Estas ondas pueden viajar a través del espacio, la atmósfera terrestre y otros materiales no metálicos.
Microondas: Utilizadas en comunicaciones inalámbricas, radar y cocinas de microondas, las microondas también son un tipo de onda electromagnética. Se utilizan en una variedad de aplicaciones debido a su capacidad para penetrar en materiales no metálicos y transmitirse a través de la atmósfera terrestre.
Rayos X: Los rayos X, utilizados en medicina para la radiografía y en diversas aplicaciones industriales, también son ondas electromagnéticas. Tienen longitudes de onda más cortas y energías más altas que la luz visible y pueden penetrar en la materia con mayor facilidad.
NTICx en la escuela
En el applet “Introducción a Ondas” del PhET Colorado, disponible en https://phet.colorado.edu/sims/html/waves-intro/latest/waves-intro_es.html, podrán trabajar y estudiar las ondas de una manera didáctica y dinámica. Modifiquen las amplitudes y frecuencias de las diferentes ondas de sonido, ondas de luz y ondas en el agua para afianzar los conceptos. Jueguen, descubran y creen sus propias actividades. ¿Se animan a contarnos qué sucedió?
En artículos anteriores de Ensamble de Ideas, hemos visto que la energía no se crea ni se destruye. La primera ley de la termodinámica nos afirmaba que la energía, esa capacidad de poder realizar un trabajo, podía transformarse de un tipo a otro, así como a partir de la energía del viento, que llamábamos energía eólica, podíamos obtener energía eléctrica. Esto es válido en todos los ámbitos y decimos que la energía se conserva.
La energía es la capacidad que tiene un sistema de producir un trabajo, esto es, la capacidad que presenta de realizar algún tipo de cambio en un sistema, ya sea físico o químico. En otras palabras, todo cambio requiere de energía para que suceda.
¿Sabes de dónde proviene la energía que utilizas en este momento para leer y comprender este texto? Continúa leyendo para enterarte de todo esto y más, pues analizaremos un caso práctico de conservación de la energía mecánica en una montaña rusa.
La conservación de la energía en la vida cotidiana.
Conservación de energía en la naturaleza
La energía que utilizas día a día en tu vida cotidiana proviene, sin duda, de los alimentos que has ingerido en las últimas horas. Por ejemplo, un almuerzo puede estar constituido por un bife de carne vacuna y algunas verduras frescas que has puesto en tu ensalada. Esos alimentos tienen, en las moléculas que lo conforman, energía química acumulada en sus enlaces. Esa energía es la que tú utilizas al leer esto, o bien al jugar un partido de fútbol o al correr el bus que te lleva a la escuela, universidad o trabajo. ¿Esa energía siempre estuvo ahí? Seguro que estás adivinando la respuesta: claro que no. (Y claro, te lo habíamos adelantado al principio de este tedioso texto.)
Es evidente que la energía presente en el animal, como la vaca o cerdo, ha provenido de los alimentos que consumió. Por ejemplo, la vaca, herbívora, ha conseguido su energía del vegetal consumido. ¿Y éste? Por fotosíntesis, ha transformado la energía lumínica proveniente del Sol en energía química. La energía lumínica se produce en el Sol por reacciones nucleares en su interior. Como vemos, todo esto es un claro ejemplo de cómo se conserva la energía.
¿De dónde proviene la energía del Sol en su interior? Te recomendamos la lectura de nuestro artículo sobre el ciclo protón-protón.
Entonces, la energía que utilizamos para bailar en un boliche, ¿proviene indirectamente del Sol? ¡Correcto! La energía siempre se conserva. ¿Puedes imaginarte qué transformaciones de la energía ocurren durante el funcionamiento de una licuadora?
La energía eléctrica que utiliza el aparato proviene de centrales eléctricas, que pueden obtener energía a partir de la energía hidráulica (como en una central hidroeléctrica), de energía eólica (como en una planta eólica), de la energía de combustibles fósiles (como las centrales térmicas), de la energía nuclear (como en una central nuclear), de la energía solar, etc. Esta energía eléctrica es transformada en otros tipos de energía, tal como la energía cinética con la que se licúan nuestros alimentos.
¿Toda la energía eléctrica es transformada en energía cinética en una licuadora? Claro que no. Lamentablemente, la eficiencia de los artefactos eléctricos no es del 100%, sino que una considerable parte de la energía se disipa en forma de calor al ambiente. Muchas veces, como en nuestra licuadora, una parte de la energía eléctrica también puede transformarse en energía sonora. ¡Otro gran ejemplo de transformación de la energía! Así vemos cómo se cumple, nuevamente, la primera ley de la termodinámica.
La conservación de la energía en una montaña rusa.
Sin ir más lejos, en el día a día encontramos múltiples ejemplos de la energía y su conservación. Analicemos un último caso más.
Ante todo, recordemos algunos conceptos físicos importantes: cuando un objeto se encuentra a cierta altura, presenta energía potencial gravitatoria (\( E_{p_g}\)). Por otro lado, si un objeto se encuentra en movimiento, presenta energía cinética (\( E_c \) ). La suma de energía potencial más energía cinética es llamada energía mecánica. En conclusión, \( E_m=E_{p_g}+E_c \) .
Ejemplo de la montaña rusa.
Ahora, imaginemos una montaña rusa. En el punto más alto, antes de que se inicie la vertiginosa caída (punto al que llamaremos “A”), el carrito presenta energía potencial gravitatoria máxima, sin energía cinética pues se encuentra quieto. Según lo expresado en el párrafo anterior, la energía mecánica del carrito en “A” es igual, en este caso, a la energía potencial gravitatoria, pues la energía cinética en “A” es cero. A medida que el carrito caiga, la energía potencial disminuye (pues disminuye la altura) y la energía cinética aumenta (pues la velocidad va aumentando). Llamaremos “B” a algún punto que se encuentre entre “A” y el punto más bajo de la trayectoria.
Sin embargo, la suma de ambas energías, que es igual a la energía mecánica, se conserva en todo momento. Es decir, la energía mecánica se conserva (¡y en todo punto de la trayectoria!). Al llegar al punto más bajo, que llamaremos “C”, observamos que la energía cinética es máxima y la energía potencial gravitatoria es nula.
La suma de ambas, claro está, es la energía mecánica y vale lo mismo que en “A” y en “B”. Cuando el carrito siga su recorrido, podrá volver a alcanzar el punto más alto, pero no podrá superarlo, pues el carrito no tendrá la suficiente energía mecánica para hacerlo. Esto es válido si consideramos una montaña rusa ideal, en la que hipotéticamente no exista rozamiento entre el carrito y el riel, así como entre el carrito y el aire.
En los casos reales, parte de la energía mecánica se disipa en forma de calor al ambiente. Esto último no significa que “se pierda” energía. La energía total, la mecánica más la disipada en forma de calor -o algún otro tipo de energía como sonora o lumínica-, será constante, ¡siempre! Es decir, la conservación de la EM (Energía Mecánica)se cumplirá en cualquier situación, como establece la Primera Ley de la Termodinámica.
¿Cómo hacer ejercicios de CONSERVACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA?
Para realizar un ejercicio de física sobre CONSERVACIÓN DE ENERGÍA MECÁNICA, debemos tener en cuenta algunas cosas:
Conceptos principales sobre CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Analicemos teóricamente, en forma de conclsusión, los principios básicos de la conservación de la EM:
(I) La energía mecánica (\( E_m \) ) es igual a la suma de energía potencial gravitatoria (\( E_{p_g} \)) más la energía cinética ( \( E_c \) ). Es decir: \( E_m = E_{p_g}+E_c) \) .
(II) La energía mecánica se conserva SÓLO si no hay fuerzas de rozamiento actuando, tales como la fuerza del rozamiento con el aire o con el piso.
(III) Consideraremos el valor de la fuerza de gravedad en la Tierra como \( \left | g \right |=10 \frac{m}{s^{2}}\) (sólo para hacer más fáciles las cuentas). En caso de que tú lo hagas con el valor de \( \left | g \right |=9,8 \frac{m}{s^{2}} \), el procedimiento es el mismo. Sólo cambia el valor de \( \left | g \right | \) por el que tú tomes. De acuerdo con esto, si estamos hablando de un ejercicio que considera que estamos en la Luna, por ejemplo, el valor de \( \left | g \right | \) corresponderá a \( 1,6 \frac{m}{s^{2}} \) .
(IV) La teoría relacionada con la conservación de energía mecánica nos dice que \(\Delta E_m=0 \).
¿Qué significa esto? Que la energía mecánica final siempre es igual a a la energía mecánica inicial. En otras palabras, ¡La energía mecánica se conserva siempre en todo el movimiento! Presten mucha atención a esta frase, pues será de gran utilidad.
Una vez que tuvimos en cuenta esas pequeñas aclaraciones, es hora de realizar algunos ejercicios:
Ejercicios Prácticos de Conservación de la Energía Mecánica
Ejemplo 1
1. ¿Con qué velocidad toca el suelo una pelota que se deja caer desde 20m de altura?
Típico ejercicio de examen. Para resolverlo, consideraremos que no hay fuerzas de rozamiento con el aire durante la caída.
Veamos la siguiente representación de lo que expresa el enunciado:
En el punto más alto, la pelota se deja caer. Es importante aclarar que “se deja caer” es equivalente a decir que la velocidad inicial de la pelota es 0, es decir: \( v_i=0\) . En ese punto, la energía mecánica estará dada por:
\( E_{m_i}=E_{p_g}+E_c \)
Como \( E_{p_g}=m\cdot g\cdot h \) y \( E_c=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2 \) , entonces:
\( \left | v \right |=\sqrt{\frac{10\frac{m}{s^{2}}\cdot 20m}{\frac{1}{2}}}=20\frac{m}{s} \)
¡Y listo!
Ejemplo 2
2. Dada la siguiente situación de un carrito de 8kg:
El estudio de la conservación de la energía es importantísimo para comprender los cambios experimentados en una montaña rusa, tanto ideal como real.
Datos: Masa del carrito = 8 kg. X (estiramiento del resorte) = 0,81 metros. K (constante de elasticidad) = 10,2 N/m
Calcular:
La energía potencial elástica del carrito en el punto A.
La energía cinética del carrito cuando éste está quieto (v=0 m/s)
Calcular la energía potencial gravitatoria del carrito en el punto A y en el punto B.
Calcular la energía mecánica del carrito en el punto A. Tener en cuenta que la velocidad en el punto A es 0 m/s.
Calcular la energía mecánica del carrito en el punto B.
1. a) La energía potencial elástica del carrito (\( E_{p_{e}} \)) en el punto A viene dada por la expresión: \( E_{p_{e}}=\frac{1}{2}\cdot k\cdot X^{2}\), siendo k la constante elástica del resorte (k=10,2 N/m) y X, el estiramiento del resorte (X=0,81m). Reemplazando los valores:
b) La energía cinética (\( E_{c} \)) del carrito en cualquier punto viene dada por la expresión \( E_{c}=\frac{1}{2}\cdot m\cdot v^{2}\), siendo m la masa del cuerpo y v, la velocidad. Como el cuerpo, según el enunciado, está quieto, entonces la energía cinética vale 0J.
c) La energía potencial gravitatoria (\( E_{p_{g}} \)) del carrito en cualquier punto viene dada por la expresión \( E_{p_{g}}=m\cdot g \cdot h\), donde m es la masa del cuerpo, g es la aceleración de la gravedad (\( g=9,8\frac{m}{s^{2}}\) y h es la altura del cuerpo. Según el enunciado, la masa del cuerpo es de 8kg.
En el punto A, la altura es de 20m, por lo que la energía potencial gravitatoria será:
Mientras que en el punto B, en donde la altura es 0m, la energía potencial gravitatoria será de 0J, puesto que no hay altura.
d) La expresión de la energía mecánica es: \( E_{m}= E_{p_{g}} + E_{c} + E_{p_{e}} = m\cdot g \cdot h + \frac{1}{2}\cdot m\cdot v^{2} + \frac{1}{2}\cdot k\cdot X^{2} \). Sabiendo que, en el punto A, la altura es de 20m y la velocidad del carrito es de 0 m/s, entonces:
Este valor también podría haber sido hallado sumando los resultados obtenidos en los puntos anteriores.
e) La energía mecánica se conserva en toda la trayectoria, por lo que la energía mecánica en B será igual a la energía mecánica en A: \( E_{m_{B}}= 1571,35J\)
Actividades
En todos los casos se considerará que los fenómenos detallados ocurren en cercanías de la Tierra, a menos que se exprese otra cosa. Se considerará que la aceleración de la gravedad es de g=9,8 m/s². Los resultados pueden variar ligeramente respecto de los tuyos teniendo en cuenta el valor de g utilizado o el redondeo que hayas hecho en cada paso.
¿Qué es la energía potencial gravitatoria?
Un cuerpo de 65 kg se encuentra a una altura de 45m y luego asciende 25m. ¿En qué punto tiene el cuerpo mayor energía potencial?
¿Qué diferencia existe entre peso y masa? Definir cada término.
¿Cuál es el peso de un objeto en la Tierra cuya masa es de 5kg? Rta: 49N
Un alumno tiene una masa de 65kg. ¿Cuánto vale su peso? Rta: 637N
Si el alumno anterior se fuera a la Luna, ¿cuánto pesaría allí si la gravedad lunar es de 1,6 m/s2? Rta: 104 N
El alumno anterior, que ya está cansado de viajar a través del espacio, se va a Marte y descubre que pesa 241,15 N. ¿Cuánto vale la gravedad allí? Rta: g=3,71 m/s2.
Un objeto pesa en la Tierra unos 130 N. ¿Cuánto vale su masa? Rta: 13,27kg
Una bolsa de compras que tiene 1kg de papas adentro se encuentra colocada en un costado del supermercado. a) ¿Cuánto pesa la bolsa de papas? b) ¿Cuánto vale su energía potencial? Rta: a) 9,8N; b) 0J
Y si la bolsa que avanza por un camino es levantada a una altura de 1,5 m… Calcular: La energía potencial de la bolsa a esa altura. Rta: 14,7J
¿Cuánto vale la energía potencial de un objeto de 34kg ubicado en la terraza de un edificio de 49 m de altura? Rta: 16 326J
El peso de una bola es de 5N. Se está por tirar desde un puente a 30 m de altura. Calcular su energía potencial. Rta: 150J
La energía potencial de una pelota a 36 metros de altura es de 720J. ¿Cuál es su masa? Rta: 2,04kg.
Un cuerpo de 3,5kg de masa tiene una energía potencial gravitatoria de 112J. ¿A qué altura se encuentra? Rta: 3,26m
¿Qué es la energía cinética? ¿Qué fórmula se usa para calcularla?
¿Qué es la energía mecánica?
Pasar de m/s a km/h o viceversa según corresponda: a) 12m/s a km/h; b) 72km/h a m/s; c) 25,6m/s a km/h; d) 23m/s a km/h; e) 340km/h a m/s.Rta: a) 43,2 km/h; b) 20 m/s; c) 92,16km/h; d) 82,8 km/h; e) 94,44 m/s
¿Cuál es la energía cinética de un móvil que circula a 20m/s y tiene una masa de 500kg? Rta: 100.000J
¿Cuál es la energía cinética de un móvil que circula a 25km/h y tiene una masa de 500kg? Rta: 12.040,9J
¿Cuál es la energía cinética de un pájaro que circula a 25km/h y tiene una masa de 1000g? Rta: 24,11J
¿Cuál es la masa de un objeto que se mueve a razón de 3m/s y su energía cinética es de 11,25J? Rta: 2,5kg.
¿Cuál es la velocidad de un objeto que circula con una energía cinética de 54J y tiene una masa de 3kg? Rta: 6m/s.
¿Cuál es la energía mecánica de un objeto de 3kg que se mueve a 2m/s y se encuentra a una altura de 10m? Rta:300J
¿Cuál es la energía mecánica de un objeto de 2kg que se mueve a 5m/s y se encuentra a una altura de 2m? Rta:64,2J
¿Cuál es la energía mecánica de un objeto que pesa 20N, se mueve a 5m/s y se encuentra a una altura de 2m? Rta:65,5J.
¿Cuál es la energía mecánica del móvil del ejercicio 14? Rta: Su energía mecánica vale lo mismo que su energía potencial porque no se encuentra en movimiento. Es, entonces, 112J.
Screenshot del Applet del PhET Colorado sobre Energía Mecánica.
Con el cursor, envía a nuestro patinador hacia la cima de la rampa de patinaje.
Suéltalo y asegúrate de tener activadas la casilla de “Gráfico de Barras”, para que tu pantalla quede como se muestra a continuación:
A medida que cae, observarás que, en el gráfico de barras, se producen modificaciones. ¿Qué variables van cambiando? ¿Cómo lo hacen? Describir el cambio observado. ¿Cuál se mantiene constante?
¿Cuál es la variable que alcanza su máximo valor cuando nuestro querido patinador toca el suelo? ¿Qué valor tienen, en ese momento, las otras variables?
¿Cuál es la variable que alcanza su máximo valor cuando nuestro valiente patinador alcanza los puntos más altos de la rampa? ¿Qué valor tienen, en ese momento, las otras variables?
Modifica la masa del patinador. ¿Qué sucede con la energía total cuando la colocamos en “pequeña” y en “grande”?
