ENERGÍA CINÉTICA

La energía cinética (siglas en inglés K.E.) es la energía del movimiento. La energía cinética de un objeto es la energía que posee a consecuencia de su movimiento. La energía cinética* de un punto material m está dada por.

La energía cinética es una expresión del hecho de que un objeto en movimiento, puede realizar un trabajo sobre cualquier cosa que golpee; cuantifica la cantidad de trabajo que el objeto podría realizar como resultado de su movimiento. La energía mecánica total de un objeto es la suma de su energía cinética y su energía potencial.

Para un objeto de tamaño finito, esta energía cinética se llama la energía cinética de traslación de la masa, para distinguirlo de cualquier energía cinética rotacional que puede poseer. La energía cinética total de una masa, se puede expresar como la suma de la energía cinética de traslación de su centro de masa, más la energía cinética de rotación alrededor de su centro de masa.

*Se supone que la velocidad es mucho menor que la velocidad de la luz. Si la velocidad es comparable a c, se debe usar la expresión de la energía cinética relativista.

CONCEPTO DE ENERGÍA CINÉTICA La energía cinética es energía del movimiento. La energía cinética de un objeto, es la energía que posee como consecuencia de su movimiento. La energía cinética de un punto de masa m está dada por La energía como capacidad para realizar un trabajo es una moneda convertible. Para darle energía cinética a algo, debemos trabajar sobre ello. Este desarrollo usa el concepto de trabajo, así como la segunda ley de Newton y las ecuaciones del movimiento. Es un caso especial del principio trabajo-energía, un poderoso principio general de la naturaleza.

MÁS DETALLE SOBRE EL CONCEPTO DE ENERGÍA CINÉTICA

La energía cinética es energía del movimiento. La energía cinética de un objeto, es la energía que posee como consecuencia de su movimiento. La energía cinética de un punto de masa m, está dada por.

Conceptos involucrados en relación a la conversión del trabajo neto en energía cinética:

Segunda Ley de Newton: F=ma	Aceleración	Velocidad Media
Principio Trabajo-Energía	Trabajo	Ecuaciones del Movimiento

Energía Potencial

La energía potencial es una energía que resulta de la posición o configuración del objeto. Un objeto puede tener la capacidad para realizar trabajo como consecuencia de su posición en un campo gravitacional (energía potencial gravitacional), un campo eléctrico (energía potencial eléctrica), o un campo magnético (energía potencial magnética). Puede tener energía potencial elástica como resultado de un muelle estirado u otra deformación elástica.

FUNCIÓN DE LA ENERGÍA POTENCIAL

Si una fuerza que actúa sobre un objeto es una función de su posición solamente, se dice que es una fuerza conservativa, y se puede representar como una función de energía potencial, que para el caso de una dimensión, satisface la condición de derivada.

La forma integral de esta relación es

que se puede tomar como una definición de la energía potencial. Note que hay una constante de integración arbitraria en la definición, mostrando con ello, que se puede añadir cualquier constante de energía potencial. Prácticamente, esto significa que puede establecer como cero de energía potencial, cualquier punto que convenga.

CONCEPTO DE ENERGÍA POTENCIAL

La energía potencial U es igual al trabajo que hay que realizar, para mover un objeto desde el punto de referencia U=0, a la posición r. El punto de referencia al que se le asigna el valor de U=0 es arbitrario, de modo que se puede elegir convenientemente, como por ejemplo el origen de un sistema de coordenada.

La fuerza sobre un objeto, es la negativa de laderivada de la función de potencial U. Esto significa que es la negativa de la pendiente de la curva de energía potencial. Dibujar las curvas de las funciones potenciales, constituyen ayudas valiosas para visualizar el cambio de la fuerza, en una región determinada del espacio.

SIGNO NEGATIVO EN EL POTENCIAL

F en la definición de la energía potencial es la fuerza ejercida por el campo de fuerza, por ejemplo, la gravedad, la fuerza del muelle, etc. La energía potencial U es igual al trabajo que debe hacer frente a esa fuerza para mover un objeto del punto de referencia U = 0, a la posición r. La fuerza que debe ejercer para mover deberá ser igual pero de sentido opuesto, y ello es el origen del signo negativo. La fuerza ejercida por el campo de fuerzas siempre tiende hacia una energía más baja y actuará para reducir la energía potencial.

El signo negativo en la derivada, muestra que si el potencial U, se incrementa cuando incrementa r, la fuerza tenderá a moverlo hacia menos r, para disminuir su energía potencial.

Derivada de la Energía Potencial

Si se conoce la función de energía potencial U, se puede obtener la fuerza en cualquier punto, tomando la derivada del potencial.

INTEGRAL DE LA ENERGÍA POTENCIAL

Si se conoce la fuerza y es una fuerza conservativa, entonces se puede obtener la energía potencial, integrando la fuerza.

FUERZA CONSERVATIVA

Una fuerza conservativa se puede definir como aquella para la cual, el trabajo realizado durante el movimiento entre dos puntos A y B es independiente del camino seguido entre los dos puntos. La implicación de "conservativa" en este contexto, es que se podía pasar de A a B por un camino y regresar a A por otro camino sin una pérdida neta de energía - cualquier vía de retorno cerrada toma un trabajo neto cero -.

Una implicación adicional es que la energía de un objeto que está sujeta únicamente a la fuerza conservativa depende de su posición y no del camino por el cual llegó a esa posición. Esto posibilita definir una función de energía potencial que depende solo de la posición.

POTENCIA

Potencia (física)

En física, potencia (símbolo P) es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.

Si W es la cantidad de trabajo realizado durante un intervalo de tiempo de duración Δt, la potencia media durante ese intervalo está dada por la relación

La potencia instantánea es el valor límite de la potencia media cuando el intervalo de tiempo Δt se aproxima a cero. En el caso de un cuerpo de pequeñas dimensiones:

Donde

P es la potencia,

W es el trabajo,

t es el tiempo.

r es el vector de posición.

F es la fuerza.

v es la velocidad.

TIPOS DE POTENCIAS

POTENCIA MECÁNICA

La potencia mecánica aplicada sobre un sólido rígido viene dado por el producto de la fuerza resultante aplicada por la velocidad:

Si además existe rotación del sólido y las fuerzas aplicadas están cambiando su velocidad angular:

Dónde

 son la fuerza resultante y el momento resultante.

      , son la velocidad del punto donde se ha calculado la resultante efectiva y la velocidad angular del sólido.

Para un sólido deformable o un medio continuo general la expresión es más compleja y se expresa como producto del tensor tensión y el campo de velocidades. la variación de energía cinética viene dada por:

                                                                               

Dónde:

 son las componentes del tensor de tensiones de Cauchy.

Dij    son las componentes del tensor de velocidad de deformación.

POTENCIA ELÉCTRICA

 La potencia eléctrica P desarrollada en un cierto instante por un dispositivo viene dada por la expresión

Dónde:

P(t) es la potencia instantánea, medida en vatios (julios/segundos).

I(t) es la corriente que circula por él, medida en amperios.

V(t) es la diferencia de potencial (caída de voltaje) a través del componente, medida en voltios.

Si el componente es una resistencia, tenemos:

R es la resistencia, medida en ohmios.

 

 

POTENCIA SONORA

 

La potencia del sonido, considerada como la cantidad de energía que transporta la onda sonora por unidad de tiempo a través de una superficie dada, depende de la intensidad de la onda sonora y de la superficie , viniendo dada, en el caso general, por:

P_s es la potencia

I_s es la intensidad sonora.

dS es el elemento de superficie sobre alcanzado por la onda sonora.

Para una fuente aislada, el cálculo de la potencia sonora total emitida requiere que la integral anterior se extienda sobre una superficie cerrada.

POTENCIA DE CONTRACTURA

 

La "potencia de contractura" es la potencia que se acumula en los músculos del ser humano o cualquier animal mamífero al tener una flexibilidad nula o prácicamente nula. Esta potencia se debe a que el músculo al encontrarse contracturado, concentra toda la energía en un pequeño punto llamado "centro de explosión", que es más conocido como la "contractura", el que, al recibir una orden del cerebro (ejercer algún esfuerzo) la “contractura” intenta deshacerse de la potencia que contiene para ejercer dicho movimiento. Tras este descubrimiento en los deportes de explosividad se trabaja la contracturación, hipertrofia y acortamiento de los músculos para ejercer la máxima potencia. La fórmula de dicha teoría es

l y a es el largo y ancho de la extremidad.

 es la amplitud de extensión.

m es la masa de la persona

Se mide en contractorutos (Cntr).

1 Cntr equivale a 35 J.

 

UNIDADES DE POTENCIA

 

Sistema Internacional (SI):

Vatio, (W):

Sistema inglés:

caballo de fuerza o de potencia, horsepower en inglés, (hp)

1 HP = 540 ft·lb/s

1 HP = 745,7 871 582 240 22 W

Sistema técnico de unidades:

kilográmetro por segundo, (kgm/s)

1 kgm/s = 9,806215 W

Sistema cegesimal

ergio por segundo, (erg/s)

1     erg/s = 1x10^-7 W

OTRAS UNIDADES:

caballo de vapor, (CV)

1 CV = 75 kgf·m/s = 735,35375 W

                                                                                              

TRABAJO MECÁNICO

Desde un punto de vista físico, un sistema puede ser un objeto ( o partícula), varios objetos o una región del espacio. En cualquier caso, un sistema puede cambiar de tamaño y forma, como una pelota de tenis que se deforma al golpear contra la raqueta.

La frontera del sistema es una superficie imaginaria que puede coincidir con una superficie física, y separa al universo en dos partes: el sistema y el entorno del sistema.

TRABAJO MECÁNICO

Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esa fuerza efectúa un trabajo mecánico, el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía. 

En el S.I se mide en Joule y comúnmente se usa otra unidad llamada caloría, para referirse al trabajo mecánico.

1 Joule = 1 Newton · 1 metro = kg m²/s²

4,18 Joule = 1 Cal 

Como se puede observar, cuando la fuerza no va paralela al desplazamiento, sólo realiza trabajo mecánico la componente de esa fuerza que está en dirección del vector desplazamiento, por ello en la ecuación a parece la función coseno, aplicada sobre el ángulo entre ellos. Específicamente, el trabajo es el producto punto entre la fuerza y el desplazamiento.

 IMPORTANCIA DEL ÁNGULO EN EL TRABAJO

Como hemos visto, en la ecuación de trabajo, el último término es una función conseno aplicada a un ángulo. Este ángulo nos permitirá saber cuando el trabajo es negativo, cuando es positivo y cuando es nulo.

En el primer caso cuando el trabajo es positivo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo que va desde los 0° hasta los 89°, siendo máximo cuando la fuerza y el desplazamiento van en la misma dirección y sentido ( ángulo entre ellos 0, cos 0° =1)

En el segundo caso cuando el trabajo es negativo, la fuerza y el desplazamiento  forman un ángulo mayor a 91° hasta los 180°, siendo máximo, pero de forma negativa cuando el ángulo es 180, pues cos 180° = -1 

En el tercer caso cuando el trabajo es nulo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo de 90°, por lo que el cos 90° = 0, demostrando que el trabajo es cero.

La niña de la imagen aplica sobre la carretilla una fuerza F, constante, que mantiene un ángulo θ = 60º con respecto a la horizontal. Fy y Fx son las componentes rectangulares de F. De acuerdo al planteamiento del trabajo, sólo la componente de la fuerza que es paralela al desplazamiento realiza trabajo sobre la carretilla.

Por lo general no hay sólo una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico, para ello se calcula el trabajo hecho por cada fuerza y se suma de manera de obtener el trabajo neto.

W_neto= W_P+W_N+W_FR+W_F

POTENCIA DEL TRABAJO       

La potencia se puede entender como la rapidez con la que se efectúa trabajo y se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. La potencia mecánica se simboliza con la letra P

P = W/Δt

También la potencia la podemos expresar en término de la velocidad, para cuando la fuerza es constante

P =F v

Las unidades para la potencia en el S.I son el Watts, el cual se define como Joule/s, de esta manera las equivalencias de otras unidades con el Watts son:

1 kW= 1000 W

1 Hp=746 W