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Energía

Comes varias veces al día, pero ¿te has preguntado alguna vez qué tipo de energía se almacena en esos alimentos? Existen varias formas de almacenar energía, pero ¿cuáles pertenecen al mismo tipo?

  • Por ejemplo, aunque te resulte sorprendente, el tipo de energía que se almacena en los alimentos que comes es el mismo que el que se almacena en una pila: la energía química.
  • Otro ejemplo es que el tipo de energía que se utiliza en la bomba atómica también se utiliza para generar electricidad: la energía nuclear.

Pero, ¿estos diferentes tipos de energía se pueden convertir el uno en el otro? Y si es así, ¿cómo se transmite?

Bueno, basta de preguntas, ¡vamos a entender el concepto de energía en física!

Definición de energía

Un objeto trabaja moviéndose contra una fuerza a lo largo de una determinada distancia.

La energía se utiliza en todas partes; es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos, como: el movimiento, la luz, el calor, etc.

Por ejemplo, cuando se quema madera, la energía química almacenada en la madera se convierte en energía térmica en forma de calor. Esto es similar a cuando obtenemos calor y luz del sol. La diferencia es que en este último caso, la energía inicial se llama energía nuclear.

Las unidades de energía son los julios y su símbolo \(\mathrm{J}\) recibe su nombre del conocido físico James Joule.

Tipos de energía y ejemplos

La energía de un objeto o de un sistema se agrupa en distintos almacenes energéticos, y esta puede transferirse entre distintos tipos de almacenes. Veamos los diferentes tipos de energía y algunos ejemplos:

La energía cinética es la energía asociada al movimiento de cualquier objeto; puede transferirse a otros objetos mediante colisiones. Además, la energía cinética puede transformarse en otra energía.

Por ejemplo, cuando un objeto se mueve sobre una superficie con fricción, la energía cinética se convierte en energía térmica en forma de calor, que suele considerarse energía perdida.

Cuando la energía se transforma de una forma a otra, una fracción de la energía se transforma en una forma no deseada y desordenada. Esta fracción se denomina pérdida de energía.

La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.

Por ejemplo, si ponemos una pelota en una colina, tendrá energía potencial gravitatoria. Si haces rodar la pelota hacia abajo, esta energía se liberará y se transformará en energía cinética.

La energía potencial elástica (de tensión) es la energía que tiene un objeto cuando es elástico y se estira (por ejemplo, un muelle o una cuerda). El objeto elástico volverá a su posición original cuando se deje de aplicar fuerza sobre él. Esto se debe a que el objeto ha almacenado energía potencial elástica.

Energía Tipos de energía y ejemplos StudySmarterFig. 1: Los tirachinas son un ejemplo de energía potencial elástica.

La energía térmica describe la temperatura de un objeto. Esta es un tipo de energía cinética, ya que el calor de un objeto viene determinado por la velocidad a la que se mueven sus partículas.

La energía química se libera (se transfiere a otro almacén de energía) cuando se produce una reacción química.

Los alimentos que comes cada día tienen energía química almacenada, que se libera tras las reacciones químicas que se producen en tu sistema digestivo.

La energía nuclear es la energía mantenida en el núcleo por las fuerzas fuertes. Se puede liberar después de que se produzcan reacciones nucleares y se utiliza en las centrales nucleares, todos los días, para proporcionar electricidad.

La energía magnética se almacena en los imanes, haciendo que se atraigan o se repelan.

La energía electromagnética es la que transportan las ondas electromagnéticas. Por supuesto, la luz también es una onda electromagnética y, por tanto, posee esta energía.

Otros ejemplos pueden variar desde las ondas de radio utilizadas en las radios para transportar información hasta los rayos X utilizados en la física médica.

Por ahora, nos centraremos en dos tipos principales de energía: la cinética y la potencial.

Energía cinética

Como hemos visto antes, la energía cinética es la que posee un objeto debido a su movimiento y se mide en julios (\(\mathrm{J}\)). Pero, ¿de qué más depende la energía cinética de un objeto?

Veamos la ecuación para hallar la energía cinética, para entender mejor el concepto: \[E_c=\dfrac{1}{2}m\cdot v^2,\]

Donde,

  • \(m\) es la masa del objeto, que se mide en kilogramos (\(\mathrm{kg}\)).
  • \(v\) es su velocidad, que mide en metros por segundo (\(\mathrm{m/s}\)).

Es sencillo ver que, si el objeto está en reposo, su energía cinética será \(0\).

Energía potencial

A diferencia de la energía cinética, la energía potencial tiene dos formas principales: gravitacional y elástica.

Energía potencial gravitatoria

Como has aprendido, la energía potencial gravitatoria depende de la posición del objeto en el campo gravitatorio y de su masa. También se expresa en julios (\(\mathrm{J}\)).

Profundicemos en su ecuación, para ver qué otros factores afectan a la energía potencial gravitatoria de un objeto:

\[E_p=m\cdot g\cdot h,\]

Donde,

  • \(m\) es la masa del objeto.
  • \(h\) es la altura del objeto, respecto a un punto de referencia. Se mide en metros (\(\mathrm{m}\)).
  • \(g\) es la intensidad del campo gravitatorio, que consideramos \(g=9,81\,\,\mathrm{m/s^2}\), aproximadamente. Se mide en en newtons por kilogramo (\(\mathrm{N\cdot m}\)) o en metros por segundo al cuadrado (\(\mathrm{m/s^2}\)).

Energía potencial elástica

Otra forma de energía potencial es la energía potencial elástica, que es la que tiene un objeto cuando es elástico y se estira. Se mide en julios (\(\mathrm{J}\)).

Veamos su ecuación para entender mejor el concepto: \[E_p=\dfrac{1}{2}k\cdot \Delta x^2,\].

Donde,

  • \(k\) es la constante elástica del muelle, que se mide en newtons por metro (\(\mathrm{N\cdot m}\))
  • \(\Delta x\) es la extensión de este; es decir, qué tanto se estira o se contrae respecto a su posición natural. Se expresa en metros (\(\mathrm{m}\)).

La constante del muelle es un valor que mide la rigidez del muelle y depende del material utilizado en el mismo. Este valor también es igual a la fuerza necesaria para estirar el muelle durante un metro.

¿Cómo se transmite la energía?

Veamos, ahora, cómo se transfiere y transforma la energía entre los almacenes energéticos. Esto nos ayudará a entender cómo se utilizan en nuestra vida cotidiana.

Cuando la energía se transfiere entre diferentes almacenes, hay varias formas en las que la transferencia de energía puede ocurrir:

  • Mecánicamente: se produce una transferencia de energía mecánica cuando se realiza un trabajo.
  • Por calentamiento: cuando un objeto calienta a otro, transfiriendo parte de su energía térmica.
  • Eléctricamente: la energía se transfiere por una carga que se mueve a través de un circuito.
  • Por radiación: cuando un objeto irradia una onda que transporta energía que puede pasar a otro objeto.

Para comprender mejor las transferencias de energía entre diferentes almacenes hay que tener en cuenta lo que le ocurre al objeto, o lo que este hace:

Describe las transferencias de energía que se producen cuando una persona salta en el aire y vuelve a caer.

Solución

  1. Una persona puede saltar en el aire debido a las reacciones químicas de sus músculos, que hacen que estos se muevan; por lo que, inicialmente, hay una transferencia de energía química a cinética.
  2. A medida que la persona se eleva en el aire, comienza a disminuir su velocidad, debido al campo gravitatorio de la Tierra. Su energía cinética se transforma en energía potencial gravitatoria.
  3. Tras alcanzar su máxima altura, la persona comienza a acelerar, de nuevo, hacia la tierra. Su energía potencial gravitatoria se convierte, de nuevo, en energía cinética.

La transferencia de energía es importante, porque no se puede almacenar energía en todas las formas útiles.

Por ejemplo, la luz es una de las cosas más útiles en nuestras vidas; pero, no se puede almacenar. Por lo tanto:

  • Si quieres tener luz, puedes llevar una linterna, que tiene almacenada energía química en su batería.
  • Esta energía química provoca una corriente eléctrica que hace que la bombilla se caliente.
  • Como resultado de este proceso de calentamiento (que ocurre demasiado rápido para que el ojo humano logre observarlo), la bombilla emite luz y nos permite ver en la oscuridad.

Conservación de la energía

El principio de conservación de la energía establece que esta no puede crearse ni destruirse.

La cantidad de energía que existía cuando se formó el universo es la misma que existe en el momento en que estás leyendo esta explicación. La energía, únicamente, se puede transferir entre los diferentes almacenes.

Por ejemplo, una pila no crea energía de la nada. Contiene energía química, que luego se transfiere al circuito para crear una corriente.

Cuando se producen transferencias de energía, no toda la energía se transforma a la forma de energía deseada. Parte de ella se transforma en otras formas de energía residuales. Esto es lo que conocemos como pérdida de energía.

  • Cuando un bate golpea una pelota, se produce un fuerte sonido, que significa que parte de la energía cinética del bate se transfiere a ondas sonoras.
  • Otro ejemplo es un objeto que se desplaza por una superficie rugosa. Tiene que hacer un trabajo contra la fricción que le hace perder algo de energía, ya que se transforma en energía térmica y sonora.

Pero, como puedes ver, incluso cuando hablamos de energía perdida, no se pierde realmente: se transforma en otra forma de energía, aunque sea no deseada. Así que, podemos concluir que la energía total inicial que tiene un sistema es igual a su energía total final. Esto se expresa, matemáticamente, como se muestra a continuación.

\[ \begin{align}E_i&=E_f,\end{align} \]

Donde,

  • \(E_i\) es la energía inicial que tiene el sistema.
  • \(E_f\) es la energía final.

Eficiencia energética

Cuando una máquina desperdicia energía al intentar realizar un trabajo, decimos que esta máquina es ineficiente. La energía desperdiciada es lo que antes llamábamos energía perdida. En la práctica, no se puede realizar un trabajo sin energía perdida, pero sí se puede reducir al mínimo deseado.

Este mismo concepto lo utilizamos para hablar de las personas, cuando no aprovechan adecuadamente los recursos que tienen. Pese a que para las personas no equivale el concepto de eficiencia que tenemos en física, nos sirve para hacernos una idea.

En física, a medida que la energía perdida se reduce, la eficiencia es mayor. Matemáticamente, es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada, y puede expresarse mediante la siguiente ecuación:

\[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]

Para calcular la eficiencia en porcentaje, debemos multiplicar el resultado que obtenemos de la ecuación anterior por cien: \[\mu_{\%}=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\cdot 100\]

Hay que tener en cuenta que la eficiencia no puede ser igual o superior a 1 o al 100%, en la práctica; simplemente, porque siempre se pierde energía de alguna forma. Esto significa que la energía útil de salida siempre va a ser menor que la energía total de entrada.

Energía Eficiencia StudySmarterFig. 3: En la gran mayoría de aparatos electrónicos encontramos etiquetas que nos indican su eficiencia. commons.wikimedia.org

Un hervidor tiene \(50\,\,\mathrm{J}\) de energía y la convierte en \(38\,\,\mathrm{J}\) de energía térmica. El resto de la energía se pierde en el entorno, en forma de sonido.

Calcula el rendimiento del hervidor:

Solución

Como el objetivo del hervidor es proporcionar energía térmica, el valor dado de \(38\,\,\mathrm{J}\) es la fracción de energía que hemos denominado energía útil de salida.

Por otro lado, el hervidor se abastece con \(50\,\,\mathrm{J}\) de energía, que es lo que hemos denominado como energía total de entrada.

Sabemos que la fórmula de la eficiencia es: \[\mu=\mathrm{Eficiencia}=\dfrac{\mathrm{E_{salida}}}{\mathrm{E_{entrada}}}\]

Si ponemos las variables dadas en la fórmula, podemos calcular la eficiencia del hervidor.

\[\mu=\dfrac{38}{50}=0,76\]

Energía - Puntos clave

  • La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos.
  • La energía cinética es la energía del movimiento. Cualquier objeto en movimiento posee energía cinética, y puede transferirse a otros objetos mediante colisiones.
  • La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un objeto en función de su posición en un campo gravitatorio.
  • La energía potencial elástica (tensión) es la energía que tiene un objeto cuando es elástico y se estira (por ejemplo, un muelle o una cuerda).
  • La energía se conserva. Esto significa que no puede crearse ni destruirse.
  • La energía de un objeto o de un sistema se almacena en diferentes depósitos de energía, y esta puede transferirse entre diferentes sistemas.
  • En física, a medida que se reduce la energía perdida, aumenta la eficiencia. Matemáticamente, es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada.

References

  1. Fig. 3: EU energy label (https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/bb/EU_energy_label.png) by Solipsist~commonswiki (https://commons.wikimedia.org/wiki/User:Solipsist~commonswiki) licensed by CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/3.0/)

Preguntas frecuentes sobre Energía

La energía es la capacidad de realizar un trabajo. Puede existir en diversas formas e, incluso, transferirse entre sistemas o cuerpos; como el movimiento, la luz, el calor, etc. 

La energía no se produce ni se elimina, sino que se transforma. Es decir, la energía ya existe y únicamente la transformamos de un tipo de energía a otro que nos interesa. Esto se conoce como principio de conservación de la energía.

El principio de conservación de la energía establece que esta no puede crearse ni destruirse; es decir, que la cantidad de energía que existía en el universo en el momento de crearse es la misma que actualmente. 

En física, la eficiencia es la relación entre la energía útil de salida y la energía total de entrada. Es decir, cuando la diferencia entre la energía útil de salida y la energía total de entrada es pequeña, diremos que la máquina es eficiente, y viceversa. 


No debe confundirse con la eficacia, que es un término utilizado en nuestra vida diaria para referirnos a la capacidad que tiene una persona de lograr sus objetivos, pero que en física no tiene una definición en particular. En ocasiones, te encontrarás que en física se usa eficacia en vez de eficiencia, pero se refieren al mismo concepto. 

La energía se puede transmitir de diversas maneras, como, por ejemplo: mecánicamente, por calentamiento, eléctricamente y por radiación. 

Cuestionario final de Energía

Pregunta

¿Es válida la ley de la gravitación en presencia de la atmósfera terrestre?

Mostrar respuesta

Answer

No, hay que tener en cuenta la fuerza de rozamiento del aire.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la condición de un medio para que un objeto que se mueve en él alcance una velocidad terminal?

Mostrar respuesta

Answer

El medio tiene que ser disipativo.

Show question

Pregunta

¿Se alcanza siempre la velocidad terminal en valores finitos de tiempo?

Mostrar respuesta

Answer

No, normalmente se alcanza de forma asintótica.

Show question

Pregunta

Elige la afirmación correcta:

Mostrar respuesta

Answer

El movimiento dentro de los fluidos es la situación en la que solemos encontrar las velocidades terminales.

Show question

Pregunta

 Elige la afirmación correcta

Mostrar respuesta

Answer

La fuerza de arrastre de los fluidos crece con su densidad.

Show question

Pregunta

Elige la afirmación correcta

Mostrar respuesta

Answer

En la mayoría de las situaciones, tenemos que resolver la dinámica para encontrar la velocidad terminal.

Show question

Pregunta

Elige la afirmación correcta

Mostrar respuesta

Answer

La velocidad terminal se alcanza cuando hay un equilibrio entre el cuerpo ganado por el objeto en su movimiento y la energía perdida por disipación.

Show question

Pregunta

La velocidad terminal no siempre se alcanza en un medio disipativo. ¿De qué depende esto?

Mostrar respuesta

Answer

Depende de las condiciones iniciales del experimento y del montaje experimental.

Show question

Pregunta

¿Puede calcularse la velocidad terminal de los objetos que caen hacia la Tierra utilizando únicamente la primera ley de Newton?

Mostrar respuesta

Answer

No, también necesitamos la aportación de la dinámica (segunda ley de Newton).

Show question

Pregunta

¿Qué mide el coeficiente de resistencia aerodinámica?

Mostrar respuesta

Answer

La relación entre la fuerza de arrastre y la forma de un objeto.

Show question

Pregunta

¿Por qué no suele ser relevante la dirección de la velocidad terminal?

Mostrar respuesta

Answer

Porque la dirección del movimiento es fija y conocida.

Show question

Pregunta

¿Cuáles son las unidades del coeficiente de arrastre?

Mostrar respuesta

Answer

Es un número y no tiene unidades.

Show question

Pregunta

¿Depende la fuerza de rozamiento del tamaño del objeto?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, pero solo en la superficie perpendicular al movimiento.

Show question

Pregunta

¿A qué objeto afecta más la fuerza de arrastre: a una aguja que cae verticalmente o a una que cae horizontalmente?

Mostrar respuesta

Answer

Una aguja que cae horizontalmente, porque su superficie perpendicular al movimiento es mayor.

Show question

Pregunta

¿Por qué descartamos la solución para la velocidad cero al encontrar la velocidad terminal de una esfera que cae?

Mostrar respuesta

Answer

Porque se corresponde con el instante inicial del movimiento, en el que no hay velocidad terminal.

Show question

Pregunta

¿En qué condiciones se conserva la energía?

Mostrar respuesta

Answer

La energía se conserva bajo la condición de que el sistema esté cerrado.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía cinética?

Mostrar respuesta

Answer

La energía cinética se define como la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado de movimiento.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía potencial?

Mostrar respuesta

Answer

La energía potencial se define como la energía que posee un cuerpo de masa definida, en virtud de su posición, en presencia de un campo gravitatorio.

Show question

Pregunta

¿Qué es la disipación de energía?

Mostrar respuesta

Answer

La pérdida de energía, al transformarse en formas de energía no útiles durante las transferencias de energía, se conoce como disipación de energía.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía elástica?

Mostrar respuesta

Answer

La energía que posee un cuerpo para mantener su configuración original.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía química?

Mostrar respuesta

Answer

La energía que posee una sustancia química.

Show question

Pregunta

¿Qué es la energía nuclear?

Mostrar respuesta

Answer

La energía que posee el núcleo de un átomo.

Show question

Pregunta

Pon un ejemplo de energía química convertida en energía mecánica.

Mostrar respuesta

Answer

Motor de combustible.

Show question

Pregunta

Pon un ejemplo de energía eléctrica convertida en energía térmica.

Mostrar respuesta

Answer

Calentador eléctrico.

Show question

Pregunta

Pon un ejemplo de energía eléctrica convertida en energía luminosa.     

Mostrar respuesta

Answer

La bombilla.

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes opciones nos da la energía mecánica de un objeto/sistema?

Mostrar respuesta

Answer

Energía potencial + energía cinética

Show question

Pregunta

¿Cuál de las siguientes puede ser una definición de energía nuclear?

Mostrar respuesta

Answer

Forma de energía que resulta de la conversión de ciertas cantidades de masa en energía. 

Show question

Pregunta

¿Qué es el centro de masas?

Mostrar respuesta

Answer

El centro de masas es el lugar donde se supone que se concentra toda la masa.

Show question

Pregunta

¿Cómo ayuda el centro de masa a facilitar los problemas?

Mostrar respuesta

Answer

1. Proporciona un punto de referencia para estudiar las interacciones cuerpo-fuerza.

2. Simplifica las trayectorias de los objetos.

Show question

Pregunta

Cuando las fuerzas actúan sobre un cuerpo, ¿podemos trasladar estas fuerzas al centro de masas?


Mostrar respuesta

Answer

Sí, esto simplifica el problema. 

Show question

Pregunta

¿Qué dos herramientas matemáticas son útiles cuando analizamos varias fuerzas que actúan sobre un cuerpo, tomando como referencia el centro de masas?

Mostrar respuesta

Answer

La segunda ley de Newton y la superposición de fuerzas.

Show question

Pregunta

¿Dónde está el centro de masas de un círculo con densidad superficial uniforme y un espesor muy pequeño?

Mostrar respuesta

Answer

En el centro del círculo.

Show question

Pregunta

¿Qué es un centroide?

Mostrar respuesta

Answer

El centroide se define como el centro de una forma geométrica.

Show question

Pregunta

¿Son el centroide y el centro de masa lo mismo? ¿Por qué?


Mostrar respuesta

Answer

No, no son lo mismo. Un centroide es un lugar en una forma geométrica. El centro de masas es el lugar donde podemos suponer que se concentra toda la masa.

Show question

Pregunta

¿Se superponen, a veces, el centroide y el centro de masa?

Mostrar respuesta

Answer

Sí, en las figuras regulares con densidad uniforme.

Show question

Pregunta

Si tienes un sistema de pequeñas partículas con las masas m1, m2 y m3, y están situadas en diferentes posiciones sobre un espacio en 2D o 3D, ¿puedes definir un centro de masas para todas ellas?


Mostrar respuesta

Answer

Sí que puedes, siempre que conozcas el valor de sus masas y su posición exacta. 

Show question

Pregunta

Tienes una figura 3D simétrica (regular), como un cubo, que tiene una densidad uniforme en todo su volumen. Su centroide coincide con su centro de masa. ¿Verdadero o falso? 

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué es el centro de gravedad?

Mostrar respuesta

Answer

Es el punto donde la fuerza de la gravedad actúa sobre un cuerpo.

Show question

Pregunta

¿Depende el centro de masas de la gravedad?


Mostrar respuesta

Answer

No. De hecho, esta es una de las diferencias clave entre el centro de masa y el centro de gravedad.

Show question

Pregunta

Cuando un objeto gira durante un lanzamiento parabólico, ¿en torno a qué punto gira?

Mostrar respuesta

Answer

Gira alrededor de su centro de masas.

Show question

Pregunta

El trabajo realizado contra la gravedad es ______.

Mostrar respuesta

Answer

El cambio de energía potencial del objeto.

Show question

Pregunta

¿Qué es el trabajo en física?

Mostrar respuesta

Answer

El trabajo se define como la energía necesaria para mover un objeto, a través de una distancia determinada multiplicada por la fuerza que actúa para mover el objeto.

Show question

Pregunta

¿Qué se transfiere cuando una fuerza desplaza un objeto por una distancia?

Mostrar respuesta

Answer

Energía.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la fórmula del trabajo?

Mostrar respuesta

Answer

W=F·s .

Show question

Pregunta

¿Cómo calcularías el trabajo realizado al levantar un objeto?

Mostrar respuesta

Answer

W=m·g·h.

Show question

Pregunta

El trabajo realizado se mide en _____.

Mostrar respuesta

Answer

Joules.

Show question

Pregunta

¿Qué es la potencia?

Mostrar respuesta

Answer

La potencia es la cantidad de trabajo realizada en una unidad de tiempo.

Show question

Pregunta

La potencia se mide en _______.

Mostrar respuesta

Answer

Vatios.

Show question

Pregunta

El trabajo puede ser negativo: ¿verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero: si la distancia recorrida es considerada negativa, el trabajo será negativo. 

Show question

Pregunta

Trabajo realizado =

Mostrar respuesta

Answer

Energía transferida.

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