Ejercicios: La energía mecánica: cinética y potencial

La energía cinética se calcula como $E_c = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$. Un carrito de juguete de $2\ \text{kg}$ se mueve a $3\ \text{m/s}$. Calculá su energía cinética.

La energía potencial se calcula como $E_p = m \cdot g \cdot h$. Un libro de $1\ \text{kg}$ está en un estante a $5\ \text{m}$ del suelo (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

Calculá su energía potencial.

Indicá qué tipo de energía mecánica tiene cada cuerpo y explicá por qué:

1. a) Un auto circulando por la ruta.
2. b) Una roca en el borde de un acantilado.
3. c) Un avión en pleno vuelo.

¿En qué unidad se mide la energía en el Sistema Internacional? ¿Qué otra magnitud física comparte esa misma unidad? Explicá por qué tiene sentido que la compartan.

Una pelota de fútbol de $0,5\ \text{kg}$ sale disparada a $20\ \text{m/s}$. ¿Qué energía cinética lleva?

Una maceta de $2\ \text{kg}$ está en la baranda de un balcón, a $1,5\ \text{m}$ del suelo (tomá $g = 9,8\ \text{m/s}^2$). Calculá su energía potencial.

Completá la frase con las palabras que faltan: «La energía cinética de un cuerpo depende de su $\dots$ y de su $\dots$; la energía potencial depende de su $\dots$ y de la $\dots$ a la que se encuentra».

Dos ciclistas circulan a la misma velocidad, pero uno lleva una mochila cargada de libros y su masa total es mayor. ¿Cuál de los dos tiene más energía cinética? Razoná la respuesta sin hacer cálculos.

Un ciclista y su bicicleta suman $60\ \text{kg}$ y suben un puerto de montaña de $200\ \text{m}$ de altura (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$). ¿Cuánta energía potencial han ganado al llegar a la cima?

Una pelota de $0,2\ \text{kg}$ rueda primero a $5\ \text{m/s}$ y después a $10\ \text{m/s}$.

1. a) Calculá su energía cinética en cada caso.
2. b) ¿Cuántas veces mayor es la segunda que la primera? Explicá por qué no se duplica al duplicar la velocidad.

Un auto de $1000\ \text{kg}$ circula a $72\ \text{km/h}$.

1. a) Expresá su velocidad en $\text{m/s}$.
2. b) Calculá su energía cinética.

Un cuadro de $4\ \text{kg}$ se cuelga primero a $2\ \text{m}$ del suelo y después se sube a $6\ \text{m}$ (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calculá su energía potencial en cada posición.
2. b) ¿Qué relación hay entre la altura y la energía potencial? Expresala con los números anteriores.

¿Cuál de estos dos cuerpos tiene más energía mecánica (cinética más potencial)? Calculala para cada uno (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$):

1. a) Una grulla de $5\ \text{kg}$ que vuela a $10\ \text{m/s}$ a $100\ \text{m}$ de altura.
2. b) Una piedra de $10\ \text{kg}$ en reposo a $300\ \text{m}$ de altura.

La figura resume la situación:

Un carrito de $2\ \text{kg}$ tiene una energía cinética de $100\ \text{J}$. ¿A qué velocidad se mueve? Despejá antes la velocidad en la fórmula de la energía cinética.

Un niño de $30\ \text{kg}$ está en lo alto de un tobogán y su energía potencial es de $600\ \text{J}$ (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$). ¿A qué altura está la plataforma del tobogán?

Un auto teledirigido circula a $4\ \text{m/s}$ y su energía cinética es de $40\ \text{J}$.

1. a) ¿Cuál es su masa?
2. b) ¿Qué energía cinética tendría si circulara a $8\ \text{m/s}$?

Un auto de $1000\ \text{kg}$ circula a $30\ \text{m/s}$ y un camión de $4000\ \text{kg}$ circula a $15\ \text{m/s}$.

1. a) Calculá la energía cinética de cada vehículo.
2. b) ¿Cuál tiene más energía cinética? ¿Te esperabas ese resultado?
3. c) Explicá, usando la fórmula, por qué la velocidad «pesa» más que la masa en la energía cinética.

Un dron de $2\ \text{kg}$ vuela a $20\ \text{m}$ de altura con una velocidad de $10\ \text{m/s}$ (tomá $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calculá su energía cinética.
2. b) Calculá su energía potencial.
3. c) ¿Cuál es su energía mecánica total?
4. d) Si se detiene en el aire manteniendo la altura, ¿qué pasa con cada una de esas energías?

Tu amigo dice: «si corro el doble de rápido, tendré el doble de energía cinética».

1. a) Calculá la energía cinética de una persona de $50\ \text{kg}$ corriendo a $5\ \text{m/s}$ y a $10\ \text{m/s}$.
2. b) ¿Tenía razón tu amigo? Si no, corregí su frase.
3. c) ¿Qué consecuencia tiene esto para la seguridad vial cuando un auto dobla su velocidad?

Una roca de $20\ \text{kg}$ se coloca a $10\ \text{m}$ de altura, primero en la Tierra ($g = 10\ \text{m/s}^2$) y después en la Luna ($g = 1,6\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calculá su energía potencial en cada lugar.
2. b) ¿En cuál de los dos lugares sería más peligrosa la caída de la roca? Justificalo con las energías.
3. c) ¿Cambió la masa de la roca al llevarla a la Luna?

Ordená de mayor a menor energía cinética, calculándola antes en cada caso:

1. a) Una bala de $0,02\ \text{kg}$ a $400\ \text{m/s}$.
2. b) Un atleta de $80\ \text{kg}$ a $10\ \text{m/s}$.
3. c) Una bicicleta de $10\ \text{kg}$ a $20\ \text{m/s}$.

Comentá qué te sorprende del resultado.

Disponés de una bola de acero, una bola de madera del mismo tamaño y un estante con repisas a distintas alturas.

1. a) Explicá cómo comprobarías que la energía potencial depende de la masa, indicando qué compararías.
2. b) ¿Cómo comprobarías que depende de la altura?
3. c) ¿Qué magnitud tenés que medir además de la altura y cómo la usarías en la fórmula $E_p = m \cdot g \cdot h$?

Un anuncio dice: «nuestro auto eléctrico alcanza el doble de velocidad que el modelo anterior necesitando solo el doble de energía».

1. a) Calculá la energía cinética de un auto de $800\ \text{kg}$ a $10\ \text{m/s}$ y a $20\ \text{m/s}$.
2. b) ¿Cuántas veces más energía hace falta para ir al doble de velocidad?
3. c) Evaluá si la afirmación del anuncio es correcta y explicá su error.