sábado, 1 de abril de 2017

ENERGÍA. TRANSFERENCIA Y CONSERVACIÓN

La Energía es uno de los conceptos clave en el estudio físico de la Naturaleza. Al intentar definirla podemos decir que la Energía es la capacidad que tiene un sistema físico de producir cambios, en él o en otros sistema. De una forma más precisa diríamos que la Energía es la capacidad que tiene un sistema físico de producir trabajo. 

Todo el mundo conoce la Ley de la Conservación de la Energía:

"La energía total de Universo es constante. La Energía puede transformarse de una forma en otra o ser transmitida de una región a otra, pero la energía no puede ser creada o destruida."

En una versión más corta: "La Energía ni se crea ni se destruye, únicamente se transforma."

Sin embargo, hay hechos en la vida cotidiana que, a primera vista, parecen no cumplir la ley de la conservación de la energía. Pero solo lo parece... ¿Cuándo tomamos un alambre y lo doblamos arriba y abajo, dónde va el trabajo realizado?... ¿Cuándo lanzamos una bola de masilla al suelo, dónde va la energía cinética?... ¿Cuándo arrancamos a correr, cómo adquirimos energía cinética?...

Para aclarar estas preguntas, primero tenemos que ver qué es una Fuerza Conservativa y una no Conservativa. En una Fuerza Conservativa el trabajo total que realiza la fuerza sobre una partícula es cero si la trayectoria es cerrada y vuelve a su punto inicial. De aquí se deduce que este trabajo es independiente de la trayectoria seguida, solo depende del punto inicial y final.

Imagen: www.canalsnowboard.com
Veamos un ejemplo simplificado. Una esquiadora asciende por el telesilla hasta un punto para lanzarse por la pista. El trabajo realizado por la fuerza gravedad para subirle hasta ese punto es -m.g.h (ecuación simplificada de la energía potencial). Cuando la esquiadora se lanza por la pista, el trabajo realizado por la gravedad será +m.g.h. Por lo tanto, el trabajo realizado por la gravedad en subir y bajar a la esquiadora (es decir, volver al punto inicial en una trayectoria cerrada) es nulo. La fuerza de la gravedad será entonces una fuerza conservativa. Una Fuerza no Conservativa no cumple este principio y el trabajo será distinto de cero. Por cierto, ¿cómo pudo el esquiador que estaba el reposo subir hasta arriba?... ¿creó energía?... ¿de dónde la saco?... El telesilla se encargó de aportar esa energía realizando un trabajo de ascensión hasta el punto.

Si de una manera simplificada vemos al conjunto formado por el esquiador y la Tierra como un sistema de dos partículas. Cuando el telesilla, que no forma parte del sistema, sube al esquiador hasta el punto más alto de la pista, está realizando un trabajo (m.g.h) sobre el sistema esquiador-Tierra que se almacena en forma de energía potencial. Al descender, esta energía potencial se transforma en energía cinética asociada al movimiento. Pero, ¿dónde está eso que todos conocemos como rozamiento?... ¿cómo lo colocamos dentro del ejemplo del esquiador?... Volvamos a la idea de Fuerza no Conservativa y esas situaciones que parecen no cumplir la ley de la conservación de la energía

En el mundo macroscópico que vivimos está rodeado de fuerzas no conservativas que disminuyen la energía mecánica del sistema. Estas fuerzas no conservativas son las responsables de esa supuesta no conservación de la energía mecánica. Veamos algunos tipos:

Fuerza de Rozamiento Cinético. Aparecen siempre que se produce el desplazamiento de un cuerpo. Son las responsables de la disminución del la energía mecánica a costa de un incremento en la energía térmica. Todos hemos comprobado cómo se calientan los neumáticos tras un largo recorrido.

Fuerzas de Deformación. Cuando doblamos arriba y abajo el alambre, el trabajo que estamos realizando de deformación se acaba disipando en calor. Solo basta con tocar el alambre. Y lo mismo ocurre con la bola de masilla que dejamos caer al suelo. La bola de masilla se calienta como consecuencia de la deformación sufrida por el impacto.

Deformación de una pelota de golf
Imagen: www.cronicagolf.com
Fuerzas asociadas a las Reacciones Químicas. Cuando trabajamos con reacciones químicas, la suma de energía mecánica y térmica no se conserva. En el caso de una persona que empieza a correr desde el reposo, la energía química interna de sus músculos se transforma en energía cinética de todo el cuerpo y se produce también energía térmica (solo hay que pasar la mano por la frente). Ahora, el trío energía mecánica, energía térmica y energía química es el que se conserva.

Sin embargo, incluyendo las energía térmicas y químicas en el balance total del sistema pueden existir ocasiones que la energía total de mismo parece no conservarse. Esto ocurre cuando la energía del sistema puede cambiar por alguna forma de radiación como son las ondas sonoras o las electromagnéticas. Y así podríamos seguir con otras formas de transformaciones energéticas...

Que la energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma es cierto pero no es algo tan obvio como nos podría parecer al principio. Hay que fijarse muy bien en lo que está ocurriendo y tener un cierto conocimiento de la Naturaleza y de los procesos que ocurren en ella. Este vídeo puede echarnos una mano:



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