Discusiones

Energía

Presenta el concepto de energía y la ley de conservación de la energía.

Mentor: ¿Qué te viene a la mente cuando digo que una persona tiene mucha energía?

Estudiante:  Que esa persona es muy activa, que hace muchas cosas rápidamente, etc.

Mentor: Correcto, y la definición científica de energía no es muy diferente de esa idea. Básicamente, energía es la capacidad de hacer trabajo.

Estudiante: Pero las personas enérgicas no siempre están haciendo trabajo. ¿La definición científica de trabajo es diferente de la definición normal?

Mentor: ¡Exactamente! En términos científicos, trabajo es la fuerza ejercida paralelamente a la dirección del movimiento. ¿Puedes pensar en un ejemplo?

Estudiante: Cuando se levanta una caja, se está ejerciendo una fuerza hacia arriba y la caja se mueve hacia arriba; se está haciendo trabajo. 

Mentor: Correcto. Dado que energía es la capacidad de hacer trabajo, ¿sabes qué clases de energía existen? 

Estudiante: Bueno, puesto que energía tiene que ver con mover objetos, ¿hay energía de movimiento?

Mentor: Sí, se llama energía cinética. De cualquier objeto en movimiento se dice que posee energía cinética. Ahora, ¿qué sucede a la energía si lanzas un balón al aire?

Estudiante: Veamos...A medida que el balón se eleva, su velocidad disminuye. ¿Significa esto que la energía está disminuyendo? Y entonces cuando va hacia abajo y se acelera, ¿está aumentando la energía?

Mentor: La energía cinética sí disminuye a medida que el balón se eleva en el aire y se mueve más lentamente. Entonces, cuando el balón va hacia abajo y aumenta en velocidad, la energía cinética se incrementa. ¿Sabes por qué estoy haciendo énfasis en energía cinética?

Estudiante: ¿Hay otras clases de energía fuera de la energía cinética?

Mentor: ¡Así es, exactamente! De acuerdo con la Ley de Conservación de la Energía, la cantidad de energía de un sistema debe permanecer siempre constante. Pero sabemos que la energía cinética va decreciendo y creciendo cuando lanzamos una bola al aire. ¿Qué crees que pasa?

Estudiante: Definitivamente, la energía cinética va disminuyendo y aumentando; pienso, entonces,  que debe existir otra clase de energía que el objeto adquiere cuando se eleva. 

Mentor: Muy cierto, es una clase de energia llamada energía potencial. ¿Recuerdas que dije que energía es sencillamente la capacidad de hacer trabajo? A medida que los objetos se mueven más alto en el aire, se aumenta su energia potencial por efecto de la gravedad -un balón situado muy alto puede ser lanzado, permitiéndole así que haga trabajo.

Estudiante: Eso tiene sentido. Creo que si se lanza un balón al aire, la energía potencial aumenta a medida que la energía cinética disminuye, y viceversa, de tal manera que la energía total es siempre la misma. 

Mentor: Sí. La energía potencial tiene que ver con qué tal alto está un objeto y cómo lo atrae la gravedad. Pero ya está bien de energía cinética y energía potencial, ¿hay otras clases de energía? 

Estudiante:  Yo no sé de otras formas de hacer trabajo distintas a mover objetos.

Mentor: Bien, si no puedes imaginar otro tipo de energía, trata de usar nuevamente la Ley de Conservación de la Energía. ¿Por qué un tren se detiene cuando se meten los frenos? Está perdiendo energía cinética, pero no está ganando energía potencial. 

Estudiante: Yo siempre he oído decir que el tren se detiene a causa de la fricción, así que la fricción debe ser una clase de energía.

Mentor: Estás en el camino correcto. La fricción incluye varias clases de energía que puedes percibir cuando un tren se detiene: 

  • Energía térmica que es el calor creado vía la fricción. 
  • Energía sonora (o sónica) , que es el sonido que oyes cuando un tren chirría mientras se detiene. 
  • Energía luminosa, que habrás podido ver en forma de chispas que vuelan o el metal caliente en el tren, de un rojo brillante. 

Estudiante: Entonces esto significa que cuando estás chequeando para estar seguro de que la energía total permanece constante, tienes que incluir todas estas formas de energía. 

Mentor: Correcto. Sin embargo, todavía quedan algunas formas de energía por considerar. 

Estudiante:Espere un minuto. ¿Cómo encuentran los físicos todas las formas de energía? ¿Cómo puede usted decir si algo es o no energía?

Mentor: La forma más sencilla de encontrar otros tipos de energía es imaginar un ejemplo del mundo real donde parezca que la energía no se conserva. La Ley de Conservación de la Energía siempre es correcta y, por lo tanto, debe haber una o más formas de energía que respondan por estas caídas. Por ejemplo, ¿qué sucede con las energias durante un salto en trampolín?

Estudiante: A medida que los saltadores aterrizan, su velocidad y energía cinética disminuyen, pero están bajando y por lo tanto su energía potencial también decrece. Los trampolines hacen ruido y desprenden algo de calor durante el salto pero no tanto como para compensar su caída en energía. Más aun, de alguna manera, cuando aterrrizan, se ha almancenado suficiente energía como para elevarlos una vez más. En consecuencia, debe haber algún tipo de "energia de resorte" que ganan los trampolines a medida que se estiran.

Mentor: Sí, la "energía de resorte" a la que te refieres se llama energía mecánica y describe la energia almacenada de resortes, bandas de caucho, y  sí, trampolines.

Estudiante: Eso parece muy sencillo.¿Hay otros tipos de energía?

Mentor: Hay otras tres formas de energía. ¿Puedes imaginarte alguna de ellas desde tu vida y experiencias?

Estudiante: Bueno, cuando enciendo una luz algo debe crear energía luminosa, entonces ¿la electricidad es una clase de energía?

Mentor: Exactamente, energía electromagnética - la energía de partículas cargadas electromagnéticamente- es una de las formas más útiles de energía porque puede ser trasladada a grandes distancias y ser fácilmente almacenada en forma de baterías. Básicamente, la energía electromagnética es la energía de atracción entre partículas cargadas positivamente y partículas cargadas negativamente. Un flujo de electrones circulando a lo largo de un alambre es como agua fluyendo en un arroyo: la fuerza de su movimiento se puede usar para hacer trabajo. 

Estudiante: Y vemos esa forma de energía en todos los aparatos electrónicos que usamos, ¿verdad?

Mentor: Correcto. Sin embargo, los físicos trabajan actualmente en una teoría que llaman la Gran Teoría Unificada, que combinaría la fuerza electromagnética y la fuerza gravitacional, de tal manera que tus hijos tendrían que aprender un tipo de energia y fuerza menos.

Estudiante: ¡Qué bueno! Algunas veces olvido que la física todavía está en cambio, a  medida que se producen nuevos descubrimientos. Es común la tendencia a pensar que los estudios matemáticos ya están completamente establecidos, pero lo cierto es que las teorías cambian constantemente a medida que se hacen nuevos descubrimientos. 

Mentor: Buen punto. De hecho, una de las formas más modernas de energía fue postulada teóricamente en 1905 y usada con éxito en la década de los 1940 - la Energía Nuclear. Pero nos queda todavía una forma conocida de energía. Considera la combustión de la madera. ¿Cuáles son las entradas y las salidas de la energía en este caso?

Estudiante: Veamos. Para quemar la madera se debe primero prender fuego, lo cual requiere energía calórica, pero entonces la madera produce mucha más energía térmica y luminosa que la chispa que originó el fuego. Quizás la madera pierde masa a medida que arde puesto que siempre hay menos ceniza después de la quema que madera al inicio.

Mentor: Esa es una idea interesante, pero la única manera de que la materia se convierta en energia es mediante un proceso nuclear, y es claro que una hoguera no produce una explosión nuclear. Toda la energía que falta y que tú mencionas, sale del fuego en forma de humo o de vapor de agua. No, la energía de la madera es algo completamente diferente: energía química. 

Estudiante: ¿Entonces la energía química es la energía almacenada en todo lo que sea inflamable? 

Mentor: Ciertamente, todo lo que es inflamable tiene energía química, aunque la energía química puede estar almacenada en objetos no inflamables. En general, la energia química es la energia almacenada en los enlaces atómicos. Cuando la madera arde, tales enlaces se rompen y su enegía se libera en forma de luz y calor. 

Estudiante: Entonces la energía química es específica de las substancias, como la energia térmica. 

Mentor: Sí, muchos tipos de energía se interrelacionan. Lo más importante para recordar, no obstante, es la Ley de la Conservación de la Energía. No importa qué problemas estés resolviendo, la energía total del sistema debe permanecer siempre constante. 
 

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