Conservación de la energía mecánica: sistemas conservativos y no conservativos

Un columpio se balancea libremente después de un impulso inicial, como se muestra en la figura.

1. a) ¿En qué puntos del recorrido es máxima su energía potencial? ¿Y máxima su energía cinética?
2. b) Describa la transformación de energía que ocurre en la bajada desde un extremo hasta el punto más bajo.
3. c) Si nadie vuelve a empujar, la amplitud disminuye poco a poco: ¿qué fuerzas son las responsables y qué le ocurre a la energía mecánica?

Usted lanza verticalmente hacia arriba una bola de $0.5\ \text{kg}$ con una velocidad de $10\ \text{m/s}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento), como se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué energía cinética tiene al salir de su mano?
2. b) Plantee la conservación de la energía mecánica entre el punto de lanzamiento y el punto más alto (donde la velocidad es nula) y calcule la altura máxima que alcanza.

Un esquiador baja por una pista, sin impulsarse, desde una cima hasta la base (desprecie los rozamientos), como se muestra en la figura.

1. a) ¿En qué punto del descenso es máxima su velocidad? ¿Dónde es máxima su energía potencial?
2. b) ¿Cambia su energía mecánica durante la bajada?
3. c) Si otra pista con un perfil completamente distinto uniera la misma cima con la misma base, ¿llegaría abajo con más, menos o igual velocidad? Justifíquelo con la conservación de la energía.

Una piedra de $2\ \text{kg}$ cae desde un acantilado de $20\ \text{m}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento con el aire). La situación se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué energía potencial tiene al empezar a caer?
2. b) Si la energía mecánica se conserva, ¿qué energía cinética tendrá al llegar abajo?
3. c) ¿Con qué velocidad llegará?

Un vagón de montaña rusa pasa por la cima más alta del recorrido, a $40\ \text{m}$, con una velocidad de $5\ \text{m/s}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento). La situación se muestra en la figura.

1. a) Calcule su energía mecánica por cada kilogramo de masa.
2. b) ¿Con qué velocidad pasará por un punto situado a $10\ \text{m}$ de altura?
3. c) ¿Hace falta conocer la masa del vagón para responder? Justifíquelo a partir de la ecuación de conservación.

En el laboratorio, la bola de $0.1\ \text{kg}$ de un péndulo se suelta desde el reposo en una posición $45\ \text{cm}$ más alta que el punto más bajo de su oscilación (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento), como se muestra en la figura.

1. a) Calcule su energía potencial inicial respecto al punto más bajo.
2. b) Plantee la conservación de la energía y calcule con qué velocidad pasa por el punto más bajo.
3. c) ¿Qué altura alcanzará al otro lado de la oscilación? Justifíquelo sin volver a calcular.

Un vagón de montaña rusa parte desde el reposo de una cima de $45\ \text{m}$ de altura, baja a un valle situado a $25\ \text{m}$ y después afronta una segunda cima de $40\ \text{m}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento). El perfil del recorrido se muestra en la figura.

1. a) ¿Con qué velocidad pasa por el valle?
2. b) ¿Con qué velocidad pasa por la segunda cima?
3. c) Si hubiera una tercera cima de $50\ \text{m}$, ¿conseguiría superarla? Justifíquelo con energías e indique desde qué altura mínima debería partir para lograrlo (en el límite, llegando con velocidad nula).
4. d) Teniendo en cuenta que en la realidad siempre hay rozamiento, razone si la altura de partida debería ser mayor o menor que la calculada en el apartado anterior.

Un resorte de $k = 200\ \text{N/m}$, comprimido $0.1\ \text{m}$, empuja sobre una mesa horizontal sin fricción a un bloque de $0.5\ \text{kg}$ que estaba en reposo. El esquema se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué energía potencial elástica tiene el resorte comprimido?
2. b) Plantee la conservación de la energía entre el resorte comprimido y el bloque ya separado del resorte, y calcule la velocidad con que sale despedido.
3. c) Explique qué fuerzas actúan sobre el bloque en cada momento y por qué la energía mecánica se conserva.

Un resorte de $k = 500\ \text{N/m}$, comprimido $0.2\ \text{m}$, lanza a un bloque de $1\ \text{kg}$ sobre un piso horizontal cuyo coeficiente de fricción es $\mu = 0.25$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$). El bloque recorre una cierta distancia y se detiene.

1. a) Calcule la energía potencial elástica inicial del resorte.
2. b) Calcule la fuerza de fricción que actúa sobre el bloque una vez que se mueve.
3. c) Razone por qué toda la energía elástica termina disipándose y calcule la distancia que recorre el bloque hasta detenerse.
4. d) Si el resorte se comprimiera $0.4\ \text{m}$ (el doble), ¿qué distancia recorrería? Comente la relación que encuentra.

Una masa de $1\ \text{kg}$ cuelga de un resorte vertical de $k = 100\ \text{N/m}$. Se suelta desde el reposo en el punto en que el resorte está sin deformar y cae estirándolo (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie la fricción). El esquema se muestra en la figura.

1. a) Explique por qué, tanto al soltarla como en el punto más bajo de la caída, su energía cinética es nula, y plantee la conservación de la energía entre esos dos puntos: $m \times g \times x = \frac{1}{2} \times k \times x^2$, donde $x$ es el estiramiento máximo.
2. b) Calcule el estiramiento máximo $x$.
3. c) La posición de equilibrio estático (donde la masa colgada quedaría en reposo) cumple $k \times x_e = m \times g$: calcúlela y compare con $x$. Explique el factor $2$ que aparece: ¿dónde está la «energía de más» cuando la masa pasa por la posición de equilibrio?

En todas las montañas rusas, la primera cima del recorrido es la más alta de todo el circuito. Observe el esquema:

Explique, usando la conservación de la energía mecánica, por qué ninguna cima posterior puede superar la altura de la primera si el vagón parte de ella casi desde el reposo, y qué papel juega la fricción en esa conclusión.

Un paquete de $2\ \text{kg}$ baja deslizando por una rampa metálica desde $5\ \text{m}$ de altura y llega abajo con una velocidad de $8\ \text{m/s}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$). El esquema se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué energía potencial tenía arriba?
2. b) ¿Qué energía cinética tiene al llegar abajo?
3. c) ¿Se conservó la energía mecánica? Calcule la energía disipada, que coincide en valor absoluto con el trabajo de la fuerza de rozamiento, $W_{roz} = \Delta E_m$.
4. d) Si la rampa mide $10\ \text{m}$, calcule la fuerza de rozamiento media que actuó sobre el paquete.

Una caja de $4\ \text{kg}$ se desliza por un piso horizontal con una velocidad inicial de $6\ \text{m/s}$ y se detiene por el rozamiento. El coeficiente de rozamiento es $\mu = 0.3$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) ¿Qué energía cinética tenía al empezar a deslizarse?
2. b) Calcule la fuerza de rozamiento, $F_{roz} = \mu \times m \times g$.
3. c) El trabajo del rozamiento consume toda la energía cinética: calcule la distancia que recorre antes de detenerse.

Una pelota de $0.1\ \text{kg}$ se deja caer desde $2\ \text{m}$ y, tras rebotar en el suelo, solo sube hasta $1.5\ \text{m}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula su energía potencial antes de caer y en el punto más alto tras el rebote.
2. b) ¿Cuánta energía ha perdido en el bote? ¿Qué porcentaje de la inicial representa?
3. c) ¿En qué se ha transformado esa energía?
4. d) Si la pelota siguiera rebotando del mismo modo, ¿qué ocurriría a la larga con su energía mecánica?

La bola de $0.2\ \text{kg}$ de un péndulo pasa por el punto más bajo con una velocidad de $4\ \text{m/s}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) ¿Qué energía cinética lleva en ese punto?
2. b) Si no hubiera fricción, ¿qué altura máxima alcanzaría al otro lado?
3. c) En la realidad solo sube $0.6\ \text{m}$: calcule la energía disipada en esa media oscilación, $W_{roz} = \Delta E_m$.
4. d) Explique, a partir de estos números, por qué el péndulo acabará parándose y en qué se ha convertido su energía.

Un carro de $1200\ \text{kg}$ frena hasta detenerse sobre asfalto seco, con un coeficiente de rozamiento $\mu = 0.6$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcule la fuerza de rozamiento durante la frenada.
2. b) Si circulaba a $30\ \text{m/s}$, calcule su energía cinética y la distancia de frenado (el trabajo del rozamiento consume toda la energía cinética).
3. c) Repita el cálculo para una velocidad inicial de $15\ \text{m/s}$.
4. d) ¿Qué relación hay entre las dos distancias de frenado? Explique qué consecuencia tiene este resultado para los límites de velocidad en ciudad.

Una persona y su equipo, $80\ \text{kg}$ en total, se lanzan por una tirolesa de $100\ \text{m}$ de cable que salva un desnivel de $45\ \text{m}$. El rozamiento medio (polea, aire) es de $200\ \text{N}$ (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$). El esquema se muestra en la figura.

1. a) ¿Qué energía potencial tiene al inicio del recorrido?
2. b) Calcule el trabajo del rozamiento durante todo el descenso, $W_{roz} = -F_{roz} \times d$.
3. c) Calcule la energía cinética y la velocidad con que llega al final del cable.
4. d) ¿Con qué velocidad llegaría si no hubiera rozamiento? Comente el resultado y explique por qué las tirolesas necesitan un sistema de frenado en la llegada.

Un bloque de $2\ \text{kg}$ baja deslizando desde el reposo por un plano inclinado de $3\ \text{m}$ de altura. El ángulo del plano cumple $\sen \theta = 0.6$ y $\cos \theta = 0.8$, y el coeficiente de rozamiento es $\mu = 0.3$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$). El esquema se muestra en la figura.

1. a) Calcula la longitud del plano que recorre el bloque y la fuerza normal sobre él, $N = m \times g \times \cos \theta$.
2. b) Calcula la fuerza de rozamiento y su trabajo, $W_{roz} = -F_{roz} \times L$.
3. c) Aplica $W_{roz} = \Delta E_m$ para calcular la energía cinética del bloque al llegar abajo y su velocidad.
4. d) ¿Qué porcentaje de la energía potencial inicial se ha disipado por rozamiento?

Reto del tema. ¿Cuánta energía mecánica se disipa en un rebote? Investigue experimentalmente la degradación energética en su hogar.

1. Toma de datos: Pese una pelota en una balanza de cocina ($\pm 1\text{ g}$) y déjela caer verticalmente desde cuatro alturas ($h_1$: $0.40$; $0.60$; $0.80$; $1.00\text{ m}$). Con una cinta métrica ($\pm 0.005\text{ m}$), mida la altura máxima de rebote ($h_2$). Grabe en video contra una pared de referencia y repita $3$ veces por altura para calcular la media y su incertidumbre.

2. Tratamiento de datos: Elabore una tabla con la energía potencial inicial ($E_{p1} = m \times g \times h_1$), la final ($E_{p2} = m \times g \times h_2$, tomando $g = 9.8\text{ m/s}^2$) y el trabajo disipado por fuerzas no conservativas ($W_{nc} = \Delta E_m$). Represente gráficamente $E_{p2}$ frente a $E_{p1}$ y ajuste la recta.

3. Informe de conclusiones: Redacte un breve informe justificando la transformación de energía potencial en cinética, cómo actúa la deformación inelástica durante el choque y el porcentaje medio de energía degradada en sonido y calor.

Se valorará:

• Rigor metrológico en la toma de medidas caseras y el tratamiento de incertidumbres.

• Corrección analítica en la tabla y en la gráfica de dispersión con su línea de tendencia.

• Calidad de la justificación teórica sobre la conservación de la energía mecánica y el cálculo de $W_{nc}$.

Un palo saltarín (pogo) tiene un resorte que se comprime al aterrizar y se estira al despegar.

1. a) Describa la cadena de transformaciones de energía en un salto completo, desde que el resorte está comprimido al máximo hasta que el saltador alcanza la altura máxima.
2. b) ¿Se conserva la energía mecánica mientras el resorte empuja? ¿Y durante el vuelo? Razone ambas respuestas.

Indique en cuáles de estas situaciones se conserva la energía mecánica y en cuáles no, justificándolo en una frase en cada caso:

1. a) Un satélite en órbita circular alrededor de la Tierra.
2. b) Un carro que frena en seco hasta detenerse.
3. c) Una manzana que se desprende de la rama y cae (desprecie el rozamiento).
4. d) Un ascensor que sube con velocidad constante.

Explique con sus palabras qué es una fuerza conservativa, poniendo como ejemplos el peso y la fuerza elástica de un resorte, y qué le ocurre a la energía mecánica de un sistema cuando solo actúan fuerzas de ese tipo. Ponga después un ejemplo de fuerza no conservativa, indique el signo del trabajo que realiza sobre un cuerpo en movimiento y explique su efecto sobre la energía mecánica del cuerpo.

Un carrito de laboratorio entra por la base de una pista curva con una velocidad de $4\ \text{m/s}$ y sube por ella sin impulsarse (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento).

1. a) ¿Qué altura máxima alcanza?
2. b) Si entrara al doble de velocidad, $8\ \text{m/s}$, ¿subiría el doble de alto? Calcúlelo y comente el resultado.
3. c) Escriba la relación de proporcionalidad entre la altura alcanzada y la velocidad de entrada.

Un paquete de $2\ \text{kg}$ se desprende de un dron de reparto que está quieto a $45\ \text{m}$ de altura (tome $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecie el rozamiento con el aire).

1. a) ¿Cuál es su energía mecánica al empezar a caer?
2. b) Cuando pasa por $25\ \text{m}$ de altura, ¿cuánta energía potencial y cuánta energía cinética tiene? ¿Con qué velocidad pasa por ahí?
3. c) ¿Con qué velocidad llega al suelo?
4. d) ¿Dependen las velocidades calculadas de la masa del paquete? Justifíquelo a partir de la ecuación de conservación.

Un vagón de montaña rusa parte desde el reposo de una cima de $45\ \text{m}$ y afronta un rizo (loop) de $12.5\ \text{m}$ de radio, cuyo punto más alto está por tanto a $25\ \text{m}$ del suelo (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$ y desprecia el rozamiento). El esquema se muestra en la figura.

1. a) ¿Con qué velocidad pasa por el punto más bajo del circuito?
2. b) ¿Con qué velocidad pasa por el punto más alto del rizo?
3. c) Por seguridad, la velocidad en el punto más alto del rizo debe ser al menos de $15\ \text{m/s}$ (dato). ¿La supera el vagón? Calcula desde qué altura mínima podría partir el vagón para cumplir justo ese requisito.
4. d) Razona por qué en el diseño real la cima de partida está bastante por encima de esa altura mínima teórica.