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Octavo 8° · Ciencias
Energía eléctrica y cálculos energéticos · Energía mecánica y eléctrica en el hogar

Energía potencial y cinética

Una mangostina cuelga de una rama en una finca de Pérez Zeledón. Mientras está arriba no hace nada, pero si se suelta, llega al suelo con rapidez y puede hasta marcar la tierra. ¿De dónde sale la energía de esa caída y cómo se puede calcular? En esta página lo averiguará con dos fórmulas sencillas.

Energía potencial gravitacional

Un cuerpo situado a cierta altura tiene energía almacenada por su posición. Si lo suelta, esa energía se libera. Entre más pesado sea el cuerpo y más alto esté, más energía almacena.

¿Por qué esa fórmula? Subir un cuerpo exige vencer su peso ($m\cdot g$) a lo largo de una distancia $h$. La energía que usted invierte al subirlo queda guardada en el cuerpo. Aquí se usa $g = 10\ \text{m/s}^2$ (el valor más preciso es $9{,}8\ \text{m/s}^2$, pero con 10 las cuentas son más simples).

Una fruta a distintas alturas: a mayor altura, mayor energía potencial. h = 5 m: Ep grande h = 2,5 m: Ep mediana h = 0 m: Ep = 0
Practica★☆☆Sin empezar
Una mangostina de 0,2 kg cuelga de una rama a 5 m de altura sobre el suelo en una finca de Pérez Zeledón. Use $g = 10\ \text{m/s}^2$ y calcule la energía potencial…

Una mangostina de 0,2 kg cuelga de una rama a 5 m de altura sobre el suelo en una finca de Pérez Zeledón. Use $g = 10\ \text{m/s}^2$ y calcule la energía potencial gravitacional de la fruta con la fórmula $E_p = m\cdot g\cdot h$. Exprese el resultado en Joules.

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Practica★★☆Sin empezar
Ximena sube una caja de 8 kg de frijoles desde el piso hasta un estante que está a 1,5 m de altura en la pulpería de su familia. Use $g = 10\ \text{m/s}^2$. a) Calcule…

Ximena sube una caja de 8 kg de frijoles desde el piso hasta un estante que está a 1,5 m de altura en la pulpería de su familia. Use $g = 10\ \text{m/s}^2$.

  1. a) Calcule la energía potencial que gana la caja.
  1. b) Si luego la caja se cae del estante, explique en qué tipo de energía se transforma la energía potencial mientras cae y por qué.
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Energía cinética

Un cuerpo en movimiento también tiene energía: la que se necesita para frenarlo. Una bicicleta lenta se detiene con facilidad; un camión veloz, no.

Fíjese en el $v^2$: la velocidad pesa más que la masa. Si la velocidad se duplica, la energía no se duplica, se cuadruplica ($2^2 = 4$).

Gráfica de barras: la energía cinética crece mucho más rápido que la velocidad. v = 1 v = 2 v = 3 Ec = 1 Ec = 4 Ec = 9
Practica★☆☆Sin empezar
Daniel pedalea su bicicleta por una calle de Heredia. La masa de Daniel y la bicicleta juntas es de 60 kg y se mueven a una velocidad de 5 m/s. Calcule la energía…

Daniel pedalea su bicicleta por una calle de Heredia. La masa de Daniel y la bicicleta juntas es de 60 kg y se mueven a una velocidad de 5 m/s. Calcule la energía cinética del conjunto con la fórmula $E_c = \frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2$ y exprese el resultado en Joules.

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Practica★★☆Sin empezar
Un carro de 1.000 kg viaja por la autopista a San José a 10 m/s y luego aumenta su velocidad a 20 m/s. a) Calcule la energía cinética del carro en cada velocidad. b)…

Un carro de 1.000 kg viaja por la autopista a San José a 10 m/s y luego aumenta su velocidad a 20 m/s.

  1. a) Calcule la energía cinética del carro en cada velocidad.
  1. b) Compare los resultados: ¿la energía cinética se duplicó al duplicarse la velocidad? Justifique con sus cálculos.
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Transformación y conservación de la energía

Cuando una pelota cae, pierde altura (baja su $E_p$) y gana rapidez (sube su $E_c$). La energía no desaparece: se transforma de potencial en cinética.

Una pelota que cae: su energía potencial se transforma en energía cinética. Arriba: solo Ep A media altura: Ep y Ec Abajo: solo Ec

Esto permite hallar la velocidad de llegada sin conocer el tiempo: la $E_c$ al final es igual a la $E_p$ del inicio.

Practica★★★Sin empezar
En un parque de Alajuela, Mariana deja caer una pelota de 0,5 kg desde una altura de 20 m. Use $g = 10\ \text{m/s}^2$ y suponga que no hay rozamiento con el aire. a)…

En un parque de Alajuela, Mariana deja caer una pelota de 0,5 kg desde una altura de 20 m. Use $g = 10\ \text{m/s}^2$ y suponga que no hay rozamiento con el aire.

  1. a) Calcule la energía potencial inicial de la pelota.
  1. b) Calcule la energía cinética justo antes de tocar el suelo y explique por qué es igual a la energía potencial inicial.
  1. c) Determine la velocidad con que la pelota llega al suelo usando $E_c = \frac{1}{2}\cdot m\cdot v^2$.
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Practica★★★Sin empezar
Josué y Fabiola comparan dos situaciones en el colegio. Josué sostiene que un ciclista de 70 kg a 4 m/s tiene más energía cinética que una pelota de fútbol de 0,4 kg a…

Josué y Fabiola comparan dos situaciones en el colegio. Josué sostiene que un ciclista de 70 kg a 4 m/s tiene más energía cinética que una pelota de fútbol de 0,4 kg a 25 m/s. Fabiola dice que ocurre lo contrario.

  1. a) Calcule la energía cinética de cada cuerpo.
  1. b) Indique quién tiene razón y argumente su respuesta.
  1. c) Si el ciclista aumentara su velocidad al doble, calcule su nueva energía cinética y explique cuál variable de la fórmula tiene mayor influencia en el resultado: la masa o la velocidad.
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Joules y calorías

La unidad de energía del Sistema Internacional es el joule (J). En alimentos y en laboratorios escolares también se usa la caloría (cal). Para pasar de una a otra se multiplica por el factor:

Como una caloría vale más de 4 joules, el mismo valor expresado en joules es mayor que en calorías.

Practica★☆☆Sin empezar
Un refresco natural de cebada aporta 300 calorías (cal) de energía según una etiqueta de laboratorio escolar. Sabiendo que $1\ \text{cal} = 4{,}18\ \text{J}$, convierta…

Un refresco natural de cebada aporta 300 calorías (cal) de energía según una etiqueta de laboratorio escolar. Sabiendo que $1\ \text{cal} = 4{,}18\ \text{J}$, convierta esa energía a Joules. Escriba el procedimiento que realizó.

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Temperatura: de °C a °F

En Costa Rica la temperatura se mide en grados Celsius (°C), pero recetas y aparatos extranjeros usan grados Fahrenheit (°F). La relación es:

Practica★★☆Sin empezar
Un termómetro de una soda en Liberia marca 35 °C en una tarde de verano. Use la relación $°F = 1{,}8\cdot °C + 32$. a) Convierta la temperatura a grados Fahrenheit. b)…

Un termómetro de una soda en Liberia marca 35 °C en una tarde de verano. Use la relación $°F = 1{,}8\cdot °C + 32$.

  1. a) Convierta la temperatura a grados Fahrenheit.
  1. b) Un termómetro de un recetario extranjero indica que un horno debe estar a 350 °F. Convierta esa temperatura a grados Celsius y explique con qué paso de la fórmula despejó el resultado.
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Vuelva al principio: la mangostina de la rama guarda $E_p = 0{,}2\cdot 10\cdot 5 = 10\ \text{J}$; al caer esa energía se transforma en cinética y la fruta llega al suelo a 10 m/s.

Resumen

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