Sigue a educarchile en

Cantidad de usuarios online 1.500.000

Recursos educativos interactivos

compartir

Ficha temática

La energía mecánica y su conservación

¿Sabes qué es la energía mecánica? El siguiente recurso educativo te enseñará de qué se trata. Además contiene ilustraciones.

La energía mecánica y su conservación

Sin duda, uno de los conceptos centrales de la física y de la mecánica en particular, es el de energía. La energía es la capacidad de la materia para producir transformaciones.
La energía mecánica que ya definiremos más adelante, es la que nos permite realizar trabajo mecánico.

Trabajo mecánico

Aunque en la vida cotidiana es compón asociar la idea de trabajo con el esfuerzo o cualquier otra acción en la que se requiera energía, en física y en mecánica en particular, el trabajo tiene una definición bastante restringida. Decimos que una fuerza realiza trabajo sobre un cuerpo cuando al actuar sobre éste lo desplaza en la misma dirección en que actúa. Por ejemplo:

trabajo mecánico

En este caso, la fuerza realiza trabajo porque el cuerpo es desplazado una distancia d de manera paralela a la fuerza.
Operacionalmente el trabajo (W) se determina como:

W = F∙d

Sus unidades están dadas por:

W = F∙dà [N∙m]= joule =[J]

Es muy importante tener en cuenta algunas situaciones especiales, por ejemplo, cuando aplicamos una fuerza, pero no somos capaces de producir desplazamiento, el trabajo en ese caso es nulo. Esto es independiente de la energía que empleemos, si no hay desplazamiento no hay trabajo. Algo similar ocurre cuando sostenemos una maleta o un bulto en el hombro en reposo. Aunque nos cansemos, no hay trabajo porque no hay desplazamiento.
También es importante considerar que el desplazamiento debe ser realizado en la dirección en que actúa la fuerza. Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento, esa fuerza no realiza trabajo. Por ejemplo, si sostenemos una maleta verticalmente para evitar que el peso la haga caer y nos movemos horizontalmente, entonces esa fuerza vertical, al igual que el peso no realizan trabajo porque actúan de manera perpendicular al desplazamiento.

Potencia mecánica

La potencia es una medida de la rapidez con que se realiza trabajo y se determina operacionalmente como la razón entre el trabajo realizado y el tiempo empelado en realizar dicho trabajo, es decir:

fórmula potencia

Las unidades de la potencia están dadas por:

potencia 2

Ejemplo

Supón que se traslada un mueble del modo que se ilustra en la figura.

Imagen once

Si la fuerza F que aplicas es 200 newton y el desplazamiento (d) que produces en el mueble es 10 m, entonces, el trabajo que realizas es:

T = Fd = (200 N)×(10 m) = 2.000 joule.

Ahora bien, este trabajo lo puedes realizar en diferentes tiempos. Si en trasladar el mueble te demoras 10 s, entonces la potencia que desarrollas es 

Formula veintiuno

En cambio, si lo haces lentamente y demorándote 40 s, la potencia que desarrollarás será de 50 watt, aunque el trabajo seguirá siendo el mismo.

Formas de energía mecánica

La energía mecánica es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento y/o posición. De acuerdo con esto hablamos de energía cinética o energía potencial gravitatoria.

ejemplo energía cinética

Energía Cinética (EC)
Es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento y operacionalmente se determina de la siguiente manera:

fórmula

Y sus unidades están dadas por

energía cinética

Energía potencial gravitatoria (EP)

Es la energía que posee un cuerpo debido a la altura a la que se encuentra sobre la Tierra. Operacionalmente esta energía se determina como:

energía potencial

Donde m es la masa del cuerpo, g la aceleración de gravedad y h la altura a la que se encuentra; sus unidades están dadas por:

energía potencial 2

Observación importante

El trabajo tiene las mismas unidades de la energía y en gran medida ambas magnitudes son equivalentes. En efecto, el trabajo mecánico es una forma de transferir energía a un cuerpo. Por ejemplo cuando uan  fuerza actúa sobre un cuerpo desplazándolo, lo hace de manera acelerada, cambiando la velocidad del cuerpo y por consiguiente su energía cinética. Es decir, si se trabaja a favor del movimiento de un cuerpo aumentamos su energía cinética y si lo hacemos en contra, disminuiremos su energía cinética. Para un movimiento horizontal, donde la energía potencial se mantiene constante, la variación de energía cinética equivale al trabajo neto realizado sobre el cuerpo, es decir:

WNeto = EC – EC0

Por otra parte, cuando levantamos un cuerpo trabajamos en contra del peso. En tal caso, el trabajo realizado para levantar al cuerpo, es equivalente al aumento de energía potencial del cuerpo.

Conservación de la energía mecánica

La energía mecánica (EM) de un cuerpo o un sistema, equivale a la suma de sus energías potencial y cinpetica, es decir:

EM = EC + EP

La importancia de la energía mecánica, se debe a que es una magnitud que al igual que el momentum se conserva constante en situaciones en que no hay fuerzas externas actuando sobre el sistema y en ausencia de roce.

Es decir:

EC + EP = Constante


Esta ley es mucho más fácil comprenderla a través de un ejemplo:

Una piedra se suelta desde una altura de 2 m respecto del suelo aquí, en la superficie terrestre. Si despreciamos los efectos de roce con el aire, ¿con qué rapidez impacta en el suelo?

conservación energía

Hay aquí dos puntos importantes de considerar: el momento en que la piedra se suelta en el punto A y el momento que impacta en el suelo en el punto B.

Sea M la masa de la piedra, g la aceleración de gravedad, h la altura desde la cual es soltada y X la velocidad con que impacta en el suelo, calculemos la energía mecánica total en cada uno de estos puntos.

EMA = ECA + EPA

Como la piedra se suelta desde el punto A, en dicho punto no tiene velocidad inicial y por tanto su energía cinética inicial también es cero, por tanto queda:

EMA = EPA
EMA = Mgh

Por otra parte, la energía en el punto B es:

EMB = ECB + EPB

Cuando la piedra llega al punto B que está en el suelo (su altura es nula), no tiene energía potencial, por tanto sólo escribimos:

EMB = ECB
EMB = MX2
             2

La conservación de la energía nos indica que ésta se mantiene constante, por lo tanto

EMB = EMA
ECB = EPA

por lo cual podemos escribir:

1 MX2= Mgh.
2

Despejando X  encontramos:  X =

raíz

calculando encontramos que: X =

raíz 2

raíz 3 

LA ENERGÍA MECÁNICA Y SU CONSERVACIÓN

Ir a la Actividad

La energía mecánica y su conservación

La noción de energía es una idea unificadora en la enseñanza de la física, por tanto es necesario desarrollarla en directa relación con las magnitudes de trabajo, fuerza y sus efectos.

Consecuentemente con lo anterior, se sugiere iniciar siempre el tratamiento de la energía, aclarando la concepción que los estudiantes suelen tener, es decir "que la energía es la capacidad de producir trabajo". Esta concepción, si bien no es errónea, es imprecisa, ya que la energía se puede caracterizar (no tiene definición) como la capacidad de la materia para producir transformaciones, dentro de las cuales está el trabajo mecánico.

Del mismo modo, para introducir la noción de trabajo mecánico, es conveniente recoger algunas de las ideas previas de los estudiantes, ya que es muy común que aparezcan algunos preconceptos como los siguientes:

 

Ideas ERRÓNEAS en torno a la concepción de trabajo mecánico.

 Hacemos trabajo cuando nos cansamos o fatigamos,

 Hacemos trabajo cuando sostenemos algo o "aguantamos" un peso.

 Hacemos trabajo cuando "gastamos" energía.

 Hacemos trabajo cuando ejercemos una fuerza.

 

Es necesario enfatizar en el concepto de trabajo, que éste se produce cuando la fuerza produce desplazamiento en la misma dirección en que actúa. A través de esto es posible revisar las concepciones erróneas y modificarlas. Hay que destacar la unidad de medida y asignarle el nombre de joule.

Es de interés destacar algunos ejemplos de situaciones especiales como:

 Cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento.

 Cuando la fuerza es opuesta al desplazamiento.

 Cuando no hay desplazamiento.

Del mismo modo, es necesario poner ejemplos en los que hay más de una fuerza actuando sobre el cuerpo.

No es conveniente ni necesario desarrollar situaciones en las que la fuerza forma ángulo (es oblicua) respecto del desplazamiento, bastando solamente una breve explicación cualitativa. En este caso, bastará con describir en el pizarrón una situación con fuerza oblicua y trazar las "proyecciones" de la fuerza sobre los ajes coordenados.

Al introducir la noción de energía mecánica, hay que destacar que "es la energía debida a la posición y/o al movimiento de un cuerpo", desglosándola inmediatamente en energía potencial gravitatoria (EP) y energía cinética (EC). Respecto de la energía potencial elástica, conviene mencionarla brevemente, pero sin enfatizarla, ya que su tratamiento no es necesario en este nivel.

Al momento de introducir el concepto de energía potencial gravitatoria, es muy apropiado hacerlo a partir del trabajo hecho para levantar un cuerpo hasta cierta altura. De esta forma, hasta la definición operacional de energía potencial resulta más significativa. Resaltar en este caso las unidades en que la energía es medida, y destacar que es equivalente al trabajo mecánico.

Respecto de la energía cinética, es no es recomendable demostrar matemáticamente su definición operacional, sino que más bien destacar la relación entre trabajo mecánico y su variación. De esta forma, se hace más evidente la relación entre trabajo y energía.

De esta forma es posible ver que para ambas situaciones, el trabajo es una forma de transferir energía a un cuerpo.

La mayoría de los estudiantes tienen una idea intuitiva de la conservación de la energía. Indague en ellos que es lo que saben y luego describa situaciones en que la energía se transforme y se conserve. Para ello emplee ejemplos simples, como la caída libre o el movimiento de un carro en la montaña rusa.

Sólo cuando los estudiantes se hayan apropiado conceptualmente de la idea de conservación de la energía, introduzca las ecuaciones que permiten describir matemáticamente este fenómeno. Si bien es cierto es importante el tratamiento matemático, emplee inicialmente ejemplos simples y directos, donde baste que los alumnos visualicen que la energía se conserva, en lugar de poner inmediatamente situaciones complejas en las que haya que determinar velocidades y/o alturas. Cuando ya haya mayor dominio matemático, destaque que la conservación de la energía es independiente de la masa del cuerpo.

Información

Técnica

Descripción Breve¿Sabes qué es la energía mecánica? El siguiente recurso educativo te enseñará de qué se trata. Además contiene ilustraciones.
Temas relacionados

>>Objetivo de Aprendizaje Interactivo: ¿Comó se transforma la energía?

>>Sitio Educativo: los imanes

>>Video:serie física entretenida:Conservación de la energía

IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
2° medioFísicaFuerza y movimiento

Relacionados

Palabras Clave

Queremos tu

Opinión