8. La energía

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LA ENERGÍA

La energía es uno de los grandes problemas del mundo actual. La necesitamos para todo, es cara y a veces contamina su obtención y uso. Pero, ¿qué es la energía?

Es algo que necesitamos para que todo funcione. Sin energía el móvil no funciona, los coches no se mueven y las personas no son capaces de hacer nada. Para que todo funcione, para que haya cambios en las cosas, necesitamos energía. 

Si algo tiene energía puede producir cambios, por eso podemos definir la energía como la capacidad que tiene un cuerpo para producir cambios. Puede ser un cambio de posición, un cambio de temperatura o un cambio de forma.

El coche necesita gasolina, para que se queme en el motor y se transforme en movimiento. El móvil necesita la electricidad de la batería para que funcione. El cuerpo necesita alimento para que los músculos se muevan.

Hagamos un experimento sencillo. Imagina que tenemos un libro sobre la mesa, está en reposo, y por mucho que esperemos sabemos que no va a ocurrir nada. No parece que tenga energía, ya que si hay energía se pueden producir cambios. Luego levanta el libro sobre la mesa una distancia de un metro, supón que tuviste que hacer una fuerza constante de 1 newton. En física a desplazar un cuerpo por acción de una fuerza le llamamos trabajo. Y es una forma de darle energía a un cuerpo. Tampoco parece que ahora tenga energía, lo tenemos parado a un metro de la mesa. La diferencia es que ahora lo podemos soltar y si cae sobre la mesa si se producen cambios, se mueve, hace ruido, hasta se puede romper. Por tanto le hemos dado energía en forma de trabajo.

El trabajo es la energía que adquieren los cuerpos cuando los desplazamos por acción de una fuerza.

El trabajo es el producto de la fuerza aplicada en la dirección del movimiento por el desplazamiento producido.

La fuerza la medimos en N, y el desplazamiento en m, su producto es una unidad que denominamos Julio, J, que es la unidad de energía en el Sistema Internacional. Esta unidad lleva ese nombre en honor al físico inglés James Prescott Joule (1818-1889)

Un julio es el trabajo que realiza una fuerza de un newton cuando desplaza un cuerpo una distancia de un metro.

Hay otra forma de darle energía a un cuerpo. Por ejemplo calentarlo. Ponemos un cazo con agua al fuego de la cocina, al poco tiempo el agua adquiere más temperatura, se calienta, podemos decir que gana energía, ahora puede producir cambios, como por ejemplo cocer unas patatas, o quemarnos si esta entra en contacto con nuestra piel. 

El calor es la energía que adquieren los cuerpos cuando aumentamos su temperatura.

El calor se puede medir en calorías. Una caloría, cal, es el calor que hay que proporcionar a un gramo de agua para que su temperatura aumente un grado centígrado. 1000 cal sería el calor que hay que proporcionar a un kilogramo de agua para que su temperatura aumente un grado centígrado, que es la definición de kcal. La energía que nos proporcionan los alimentos la solemos dar en kcal, fíjate en las etiquetas de los alimentos.

TIPOS DE ENERGÍA

La energía es una magnitud única, pero podemos hablar de diferentes formas o tipos de energía en función de los cambios en los que participan. 

Cuando los cuerpos cambian su estado de movimiento hablamos de energía mecánica. Esta energía mecánica puede ser energía cinética cuando un cuerpo se mueve con cierta velocidad, o energía potencial en función de la posición que ocupe dentro de un campo gravitatorio o electrostático.

Hablamos de energía térmica a la ligada a los cambios de temperatura de los cuerpos. Energía química la energía que tienen las sustancias que les permite reaccionar para dar otras sustancias nuevas. Energía eléctrica y energía magnética relacionada con el movimiento de cargas eléctricas en la materia. Energía nuclear a la que permite que los átomos se rompan en las centrales nucleares para obtener energía. Todas estas energías se conocen también como energía interna de la materia.

La energía también se puede transmitir como ondas electromagnéticas como energía radiante, del Sol por ejemplo. Que es la energía que mantiene la vida sobre la Tierra.

Pero con todo recuerda que la energía es un concepto único aunque lo podamos encontrar en diferentes situaciones.

En nuestra vida diaria necesitamos energía. Si tenemos el móvil descargado no funciona, lo ponemos a cargar. Estamos transformando energía eléctrica en energía química de la batería. Cuando la batería está cargada aprovechamos esa energía química almacenada para producir energía eléctrica que haga funcionar los circuitos del teléfono. 

Poco después de levantarnos desayunamos para que nuestro organismo aproveche la energía de los alimentos. La forma más fácil de obtener energía de los alimentos es a través de los hidratos de carbono, por eso en el desayuno no deben faltar los cereales, tostadas o similares. Estudiarás que la almacena de una forma muy inteligente en moléculas energéticas, de ATP, que el organismo utiliza cuando necesita energía.

Cuando vamos al instituto usamos el bus o el coche que también transforman la energía química de los combustibles en energía mecánica de movimiento. Como ves todas las acciones rutinarias de nuestra vida necesitan energía, y en ellas esta energía se va transformando de unas formas en otras.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Observa este vídeo sobre la conservación de la energía:

Seguramente hay cosas que no entiendes todavía. No te preocupes, algunas ideas si nos pueden ir quedando para más adelante cuando profundicemos más en el tema. Por ejemplo, que la energía se transforma de unas formas en otras. Pero no hay pérdidas en esta transformación. La energía no se destruye, pero tampoco se crea. 

¿Por qué nos cuesta tanto entonces la energía? Pues porque no todas las formas de energía son igualmente útiles. Unas las aprovechamos mejor que otras, y no todas se transforman con igual eficacia. Por ejemplo, es fácil obtener calor de la corriente eléctrica, pero no es tan fácil obtener energía eléctrica del calor.

Para entender mejor que la energía se conserva estudiemos el caso de las energías implicadas en el movimiento, lo que conocemos como energía mecánica. Veremos que la energía mecánica también se conserva en los movimientos.

ENERGÍA CINÉTICA

En el estudio de los movimientos intervienen energías asociadas a los cuerpos. 

Pensemos en un coche en movimiento, la energía debida al movimiento le permite realizar cambios en otros cuerpos, como cuando, por desgracia, choca con otro. Estos impactos son más graves cuando el vehículo va a más velocidad, por tanto debe haber alguna relación entre la velocidad y su energía. Esta energía debida a la velocidad la denominamos energía cinética.

La energía cinética es la energía que tiene un cuerpo por el hecho de estar en movimiento.

Fíjate que la energía cinética es proporcional a la masa del cuerpo, cuanta más masa tenga más energía puede comunicar, pero también es proporcional al cuadrado de la velocidad, de forma que cuando la velocidad se duplica la energía se cuadriplica, imagina el incremento del riesgo en la conducción cuando nos excedemos en la velocidad. 

En unidades del SI, cuando la masa está en kg y la velocidad en m/s la energía cinética viene dada en J.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA

Los cuerpos también sufren fuerzas por estar en un lugar determinado. Por ejemplo un cuerpo en un punto cualquiera de un campo gravitatorio sufre una fuerza de atracción. También sufre fuerzas de atracción y repulsión un cuerpo cargado en un campo eléctrico, o un cuerpo magnetizado en un campo magnético. Esta energía que tienen los cuerpos dependiendo de su posición se denomina energía potencial. 

La energía potencial es la energía que tiene un cuerpo debido a la posición que ocupa en un campo gravitatorio.

Dentro de un campo gravitatorio los cuerpos siempre tienen esta energía. Cuando un cuerpo está en reposo no es fácil deducir esta energía, piensa en un libro que está sobre una mesa. Pero imagina que está en equilibrio sobre el borde de la mesa. Si cae esa energía que tenía, digamos en potencia, de ahí lo de potencial, se pone de manifiesto moviendo el cuerpo hacia la Tierra. La energía potencial depende de la altura que alcanza el cuerpo sobre el punto al que pueda caer dicho cuerpo. Tendremos que tener siempre en cuenta esta referencia del punto más bajo al que cae el cuerpo.

En unidades del SI, cuando la masa está en kg, g en m/s2 o N/kg y la altura en m la energía potencial viene dada en J.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

ENERGÍA MECÁNICA

La suma de la energía cinética y la energía potencial se denomina energía mecánica.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

Cuando un cuerpo cae libremente, o desliza sin fuerzas de rozamiento, es decir, cuando sólo actúa la fuerza del peso su energía mecánica se conserva. 

Cuando la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es el peso la energía mecánica se conserva.

¿Qué ocurre cuando una pelota cae libremente desde una determinada altura? Si suponemos nulas las fuerzas de rozamiento del aire la energía potencial en el punto más alto es máxima, pues es máxima la altura. Su energía cinética será nula pues aun está en reposo.

Cuando desciende un poco su energía potencial también disminuye al disminuir la altura. Pero la energía cinética aumenta, al incrementarse la velocidad. Cuanto más descienda más disminuye la energía potencial y más aumenta la energía cinética. 

En cada punto del camino de descenso la suma de la energía potencial y energía cinética es constante.

En el punto más bajo la energía potencial es nula, pues no hay altura, y la energía cinética es máxima, pues la velocidad es máxima.

Sabemos que al llegar al suelo, si el choque es elástico, la pelota rebota y alcanza la misma altura desde la que cayó. Si no alcanza la misma altura, alcanza una altura menor, es porque parte de la energía la pierde al deformarse al entrar en contacto con el suelo y se disipa en forma de calor.

EJERCICIOS PARA PRACTICAR

Observa la siguiente simulación, en ella puedes comprobar como la energía mecánica se conserva. Si hay fuerzas de rozamiento la energía mecánica se va convirtiendo en energía calorífica.

SIMULACIÓN: ENERGÍA MECÁNICA, en phet.colorado.edu

1º experimento: En el apartado Introducción marca Gráfico de barras y Velocidad. Coloca al patinador en la pista. Observa que al descender aumenta la velocidad. En el punto más alto la energía potencial es máxima, y en el punto más bajo la energía cinética es máxima. Observa también que la energía total se conserva.

2º experimento: En el apartado Fricción marca Gráfico de barras y Velocidad. Coloca al patinador en la pista. Observa que al haber rozamiento el patinador no alcanza la misma altura en cada paso por el punto más alto. Su energía potencial disminuye. Como también disminuye la energía cinética, pues cada vez pasa a menor velocidad por el punto más bajo. Que pasa con esa energía que se pierde, pues que se transforma en calor. Observa también que la energía total se conserva, al final toda la energía mecánica se convirtió en calor.

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