Energías, Trabajo y Potencia

Formas y Fuentes de Energía

Usualmente escuchamos hablar de energía eólica o solar, por ejemplo. Muchas personas piensan que esas son efectivamente formas de energía, pero no es así. Las únicas formas de energía existentes son las mencionadas en la clase anterior. Las formas de energía son las clases o tipos de energía identificadas en la naturaleza, y que son realmente diferentes entre sí. La energía eólica no es otra cosa que energía cinética del aire (viento), y la energía solar es energía radiante que emite el Sol.
Esos nombres (energía eólica y solar, entre otras) no denominan la forma de energía sino la Fuente de Energía. Una Fuente de energía es un lugar (aparato, cuerpo o conjunto de cuerpos) donde se transforma energía de una forma a otra forma (gracias a alguna interacción), dicho en criollo: “es el lugar donde se genera energía” (aunque “genera” no se puede entender como “crear energía”). Por ejemplo, cuando se habla de Energía Solar se está diciendo que el Sol es una Fuente de Energía, que transforma Energía Nuclear en Energía Radiante. Cuando se habla de un molino o un generador eólicos, o que usa la energía eólica, se está diciendo que ese aparato aprovecha la energía cinética del aire para transformarla en energía cinética rotacional y luego en energía potencial elástica (para moler en el caso del molino) o en energía potencial eléctrica (en el caso del generador). Otro ejemplo muy común de escuchar es la energía hidroeléctrica. En este caso se hace referencia a que en una Presa se aprovecha la energía potencial gravitatoria del agua acumulada para transformarla en energía potencial eléctrica (luego de otras transformaciones intermedias).
Es muy importante no confundir formas con fuentes de energía. Unas son las clases de energía existentes y las otras transforman una clase en otra. La particularidad de las fuentes de energía es que casi siempre la forma de energía final es aprovechada por nosotros de algún modo. No hay problema en utilizar los nombres “energía eólica” o “energía solar” o “energía hidroeléctrica”, ni todos los otros que se usan, lo importante es no olvidar que esos nombres hacen referencia a la Fuente de Energía.

Energía Cinética

La energía cinética es la energía de movimiento, es decir, cualquier cuerpo que se mueva a una cierta velocidad, y con cualquier tipo de movimiento, tiene esta forma de energía. Como el movimiento se caracteriza con la velocidad es lógico pensar que esta forma de energía también se la caracteriza con la velocidad (es decir: depende de la velocidad). La pregunta es: ¡¿Es lo mismo que un camión que viaja a una velocidad de 60 Km/h impacte sobre una pared, a que impacte un auto pequeño que también se mueva a 60 Km/h?! Evidentemente no es lo mismo. Si te preguntan cual de los dos posee mayor cantidad de energía para derribar la pared, seguramente responderás que el camión. En esta situación, la diferencia está en la cantidad de masa que posee el cuerpo. Por lo tanto, podemos asegurar que la Energía Cinética también depende de la masa.
Decir que la energía cinética depende de la masa y de la velocidad del cuerpo que se mueve equivale a decir que, en la ecuación para calcular la cantidad de dicha energía en un cuerpo, deben aparecer estas dos magnitudes. La ecuación puede verse en la imagen adjunta

En la ecuación aparece también un “2” que está dividiendo al producto entre la masa y la velocidad, y esta ultima aparece elevada al cuadrado; esto es porque la deducción de la fórmula se hace mediante un proceso matemático durante el cual aparecen esos números y que dan el verdadero valor de la energía cinética.
Debemos destacar, también, que la ecuación mostrada corresponde a lo que se llama energía cinética lineal, porque la velocidad que aparece es la velocidad lineal del cuerpo. Cuando un cuerpo tiene un movimiento de rotación (sobre su propio eje o alrededor de otro cuerpo o eje) se dice que tiene energía cinética rotacional.

Energía Potencial

La energía potencial es energía que acumulan (o almacenan) los cuerpos o partículas por estar separados por una cierta distancia. También se puede decir que es energía debida a las posiciones relativas de los cuerpos (esta definición es más correcta desde el punto de vista teórico de la Física).
Dentro de esta forma de energía se distinguen tres sub-formas: Gravitatoria, Eléctrica y Elástica. Nos referiremos brevemente a la primera de ellas.

Energía Potencial Gravitatoria

La energía potencial gravitatoria es la energía potencial debida a la masa de los cuerpos. Esto significa que es energía que poseen los cuerpos que están separados cierta distancia, acumulada gracias a la masa de cada uno. Entonces podemos deducir que esta forma de energía depende de las masas de los cuerpos que interactúan y de la distancia de separación entre ellos. Por lo tanto estas dos cantidades deben aparecer en su ecuación. La ecuación puede verse en la imagen adjunta.

Observarás que en la ecuación aparecen otros elementos aparte de las masas (m1 y m2) y de la distancia de separación entre los cuerpos (r). El signo menos y el cuadrado aparecen durante el proceso de deducción de la ecuación (y de la definición de la fuerza gravitatoria). La “G” es la constante de gravitación universal deducida por Newton, y aparece acá por la definición de la fuerza gravitatoria.
Resulta muy difícil observar esta forma de energía entre objetos de tamaños ordinarios (por ejemplo: entre una pelota y una mesa, entre dos aviones). Para que se la pueda observar, uno de los objetos, por lo menos, debe tener una gran masa, por ello se estudia generalmente la energía potencial gravitatoria entre algún objeto y la Tierra, o entre planetas o entre planetas y el Sol, o entre asteroides y planetas, etc. (pero siempre cuerpos de gran masa). En el caso de cuerpos pequeños que interactúan con la Tierra, se la define como la energía potencial que tiene todo cuerpo por estar a una cierta altura por encima del suelo. Esta definición se deduce de trabajar matemáticamente con la ecuación anterior y con la definición de “Peso”. De ese trabajo resulta una ecuación muy sencilla para el cálculo de la energía potencial gravitatoria, donde aparece la altura del cuerpo respecto a la superficie terrestre. Esa ecuación también aparece en la imagen.

Donde “m” es la masa del cuerpo en estudio, “g” es la aceleración de la gravedad (vale 9,8 m/s2) y “h” es la altura del cuerpo respecto al suelo.
Se puede analizar la veracidad de dicha ecuación aplicando el Principio de Conservación de la Energía. Si una botella de vidrio cae al piso desde una altura de apenas unos centímetros es bastante probable que no se rompa. Pero si la misma botella cae desde una altura de varios metros, seguramente se romperá. Para que la botella se rompa necesita haber tenido una cierta cantidad de energía (que permitiera romper las uniones entre las moléculas del vidrio), que no poseía cuando estaba a solo unos centímetros del suelo. Por lo tanto, debe ser cierto que esta forma de energía dependa de la altura a la que se encuentra el cuerpo.
También podemos analizar la dependencia con la masa, en forma similar a como lo hicimos con la energía cinética. Podemos partir de la siguiente pregunta: ¿Es lo mismo que te caiga por la cabeza una pluma desde una altura de 2 metros, a que te caiga un balde desde esa misma altura? Pues no. Otra vez interviene la masa. En cuanto a la aceleración de la gravedad, no debes confundir “G” con “g”, son diferentes, la primera es una constante que indica la interacción gravitatoria unitaria, dicho fácilmente; y la otra es una aceleración.

Trabajo Mecánico

Se ha definido un concepto que resulta muy útil a la hora de analizar cuerpos que se mueven bajo la acción de una fuerza neta distinta de cero, el Trabajo Mecánico. Conceptualmente podemos decir que es la acción capaz de provocar un cambio en el estado de energía cinética y/o potencial gravitatoria de un cuerpo. De un modo más general, se puede decir que es la acción capaz de provocar un cambio en la energía mecánica de un cuerpo. Se lo define como el producto (escalar) entre la fuerza neta actuante en el cuerpo y el desplazamiento que este experimenta. La ecuación aparece en la imagen.

Cabe destacar que para usar esa ecuación, la fuerza y el desplazamiento deben tener la misma dirección (es decir, deben estar aplicados sobre la misma recta o rectas paralelas. En el caso que esto o ocurre se agrega un factor más a la ecuación que produce la corrección necesaria (ahora no lo veremos).
Ahora bien, como conceptualmente se relaciona con los cambios de energía, también podemos expresarlo matemáticamente como:

No profundizaremos más sobre este concepto por el momento.

Potencia

La Potencia puede definirse como: “Informa la Cantidad de Energía que se transforma (o puede transformarse) durante un fenómeno por cada unidad de tiempo que dure ese fenómeno”. La cantidad de energía transformada siempre es igual a una cierta forma de energía que un cuerpo está transformando en otra, o al revés. Esto significa que la cantidad de energía transformada es la variación o cambio de energía del cuerpo. Por lo tanto, la ecuación de Potencia también aparece en la imagen.

Ahora bien, como el cambio de energía es igual al trabajo, la potencia se puede definir en función del trabajo: “Es el Trabajo realizado por un cuerpo por cada unidad de tiempo que actúe la Fuerza Neta”. Esto se puede poner en la ecuación, que también se puede poner en función de los cambios de energía cinética o potencial gravitatoria (ecuación en la imagen adjunta).

Unidades

Cómo ya saben, la Energía se mide en Joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades (SI), por lo tanto, como el Trabajo es igual al cambio de energía, también se lo mide en Joules (J). La Potencia se expresa en unidades de energía sobre unidades de tiempo, como puede verse de la ecuación. En el SI la unidad de energía es el Joule y la de tiempo es el Segundo, al cociente entre estas unidades se le ha dado el nombre de Watt (W). Matemáticamente se puede expresar de la siguiente forma:

J/s=W