Energía potencial, energía cinética y conservación de la energía
Estás en la primera subida de una montaña rusa. El carro avanza despacio hasta la cima y, de pronto, baja a toda velocidad sin que nada lo empuje. ¿De dónde sale esa velocidad? ¿Se acaba la energía cuando el carro llega al fondo y se detiene? En esta página lo vas a averiguar.
Energía cinética y energía potencial
La energía es la capacidad de producir cambios: mover algo, calentarlo, iluminarlo. Se mide en joules (J). Toda la energía mecánica se puede ordenar en dos grandes grupos.
Hay tres tipos de energía potencial que debes conocer:
| Tipo | Dónde está almacenada | Ejemplo |
|---|---|---|
| Potencial gravitacional | En la altura de un objeto sobre el suelo | Un libro en un estante alto |
| Potencial elástica | En un objeto estirado o comprimido | Una liga estirada, un resorte |
| Potencial química | En los enlaces de las sustancias | Una pila, la gasolina, un plato de pasta |
La energía potencial gravitacional aumenta cuando el objeto está más alto o tiene más masa. La cinética aumenta cuando el objeto va más rápido o tiene más masa. En este curso solo lo estudiamos de forma cualitativa, sin fórmulas.
Define la energía cinética y la energía potencial gravitacional. Da un ejemplo cotidiano de cada una.
Define la energía cinética y la energía potencial gravitacional. Da un ejemplo cotidiano de cada una.
Clasifica cada caso como energía potencial gravitacional, potencial elástica, potencial química o cinética: (a) una liga estirada, (b) un plato de pasta, (c) un libro en…
Clasifica cada caso como energía potencial gravitacional, potencial elástica, potencial química o cinética: (a) una liga estirada, (b) un plato de pasta, (c) un libro en un estante alto, (d) un ciclista que va por una calle.
Transformaciones y transferencias de energía
La energía casi nunca se queda quieta: cambia de forma o pasa de un objeto a otro.
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Transformación de energía: la energía cambia de un tipo a otro. Ejemplo: al bajar por un tobogán, la energía potencial gravitacional se transforma en energía cinética.
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Transferencia de energía: la energía pasa de un objeto o lugar a otro. Ejemplo: una bola de boliche que choca con los pinos les pasa energía cinética.
La montaña rusa
Un carro llega a la cima de la primera colina y se detiene un instante. Ahí tiene la mayor energía potencial gravitacional y casi nada de energía cinética. Al bajar:
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la altura disminuye, así que la energía potencial baja;
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la rapidez aumenta, así que la energía cinética sube.
En el fondo, la energía potencial es la menor y la cinética es la mayor. Al subir la siguiente colina ocurre al revés.
Pasa lo mismo en otros casos: un ciclista que baja una cuesta transforma energía potencial gravitacional en cinética, y una liga estirada (potencial elástica) se transforma en cinética cuando la sueltas.
Un carro de montaña rusa es llevado a la cima de la primera colina y se detiene un instante. Luego baja rodando. Describe cómo cambian su energía potencial gravitacional…
Un carro de montaña rusa es llevado a la cima de la primera colina y se detiene un instante. Luego baja rodando. Describe cómo cambian su energía potencial gravitacional y su energía cinética al ir de la cima al fondo de la colina. Di qué pasa con la energía total si la fricción es muy pequeña.
Conservación de la energía
Entonces, ¿por qué una pelota que rueda se detiene? No es que la energía «se gaste». Por la fricción, la energía cinética se transforma en energía térmica (calor) y un poco de sonido. Esa energía se reparte en el suelo y en el aire, y ya no la podemos usar para mover la pelota.
Por eso, en una montaña rusa real, el carro no llega a la misma altura en cada colina: parte de su energía se vuelve calor.
Sofia dice: «La energía se gasta cuando una pelota deja de rodar». ¿Tiene razón? Enuncia la ley de conservación de la energía y di a dónde va la energía de la pelota.
Sofia dice: «La energía se gasta cuando una pelota deja de rodar». ¿Tiene razón? Enuncia la ley de conservación de la energía y di a dónde va la energía de la pelota.
Una pelota de $0.5\ \text{kg}$ se suelta desde la parte alta de una rampa. Su energía se mide en tres puntos, en joules (J): | Punto | Energía potencial gravitacional…
Una pelota de $0.5\ \text{kg}$ se suelta desde la parte alta de una rampa. Su energía se mide en tres puntos, en joules (J):
| Punto | Energía potencial gravitacional (J) | Energía cinética (J) | Energía térmica por fricción (J) |
|---|---|---|---|
| Arriba | 10 | 0 | 0 |
| Medio | 6 | 3 | ? |
| Abajo | 0 | 8 | ? |
(a) Calcula los valores que faltan de energía térmica. (b) Calcula la energía total en cada punto y usa tus resultados para explicar si la energía se conserva. (c) Explica por qué la energía cinética de la pelota abajo es menor que $10\ \text{J}$.
La energía en circuitos y seres vivos
La conservación de la energía vale en todos los sistemas, no solo en las rampas.
Un circuito simple
En una linterna o un circuito con batería y foco:
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Batería: energía potencial química.
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Cargas en movimiento por los cables: energía eléctrica (la energía de las cargas en movimiento).
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Foco: energía de luz y energía térmica.
Si sumas la luz y el calor que da el foco, obtienes la energía química que salió de la batería. Nada desaparece.
Una red alimentaria
La energía de la luz del Sol entra por las plantas. Mediante la fotosíntesis, el pasto transforma energía de luz en energía potencial química almacenada en sus azúcares.
Cada animal obtiene energía química al comer. Pero no toda se almacena en su cuerpo: la mayor parte se usa para moverse, mantenerse caliente y vivir, y sale como calor al ambiente. Por eso los organismos de los últimos niveles tienen menos energía disponible.
Describe las transformaciones de energía en un circuito simple: una batería conectada a un foco. Nombra el tipo de energía en cada etapa (la batería, las cargas en…
Describe las transformaciones de energía en un circuito simple: una batería conectada a un foco. Nombra el tipo de energía en cada etapa (la batería, las cargas en movimiento, y la luz y el calor que emite el foco). Explica por qué la cantidad total de energía se mantiene igual.
Aaliyah dibuja una red alimentaria en la que el pasto es comido por un saltamontes, el saltamontes es comido por una rana y la rana es comida por un halcón. Describe…
Aaliyah dibuja una red alimentaria en la que el pasto es comido por un saltamontes, el saltamontes es comido por una rana y la rana es comida por un halcón. Describe cómo la energía del Sol se transforma y se transfiere a lo largo de esta red. Explica qué pasa con la energía que no se almacena en el cuerpo de cada organismo.
Comparando los tipos de energía
Los tres tipos de energía potencial se parecen en algo: son energía almacenada que aún no se usa. Se diferencian en dónde se guarda.
| Gravitacional | Elástica | Química | Cinética | |
|---|---|---|---|---|
| ¿Qué la causa? | Altura | Estiramiento o compresión | Enlaces de sustancias | Movimiento |
| Ejemplo | Columpio en lo alto | Juguete de cuerda | Planta, comida | Columpio al pasar por abajo |
| ¿Almacenada? | Sí | Sí | Sí | No, está en uso |
Chloe compara tres sistemas: una planta que hace fotosíntesis, un juguete de cuerda y un columpio de un parque de diversiones. Para cada sistema, identifica una forma de…
Chloe compara tres sistemas: una planta que hace fotosíntesis, un juguete de cuerda y un columpio de un parque de diversiones. Para cada sistema, identifica una forma de energía potencial y una transformación que ocurre. Luego compara en qué se parecen y en qué se diferencian las energías potenciales gravitacional, elástica y química de la energía cinética, y explica cómo se conserva la energía en al menos uno de los sistemas.
Vuelve al principio: el carro de la montaña rusa baja rápido porque su energía potencial gravitacional, ganada al subir, se transforma en energía cinética. Al final no se acaba: parte se vuelve calor por la fricción y la energía total se conserva.
Resumen
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La energía cinética es la energía del movimiento; la energía potencial es energía almacenada.
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Hay tres tipos de potencial: gravitacional (altura), elástica (estirar o comprimir) y química (enlaces de sustancias).
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La energía se transforma (cambia de forma) y se transfiere (pasa de un objeto a otro).
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Ley de conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye; la total se mantiene igual.
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La fricción convierte energía en calor, pero esa energía no desaparece.
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En circuitos y redes alimentarias, la energía también se transforma y parte sale como calor.