Las leyes
Primera ley de Newton o Ley de la inercia
La primera ley del
movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo sólo puede mantenerse
en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone
que:
Todo cuerpo persevera en
su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea
obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.
Esta ley postula, por
tanto, que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en
reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o
una serie de fuerzas cuyo resultante no sea nulo sobre él. Newton toma en
cuenta, así, el que los cuerpos en movimiento están sometidos constantemente a fuerzas
de roce o fricción, que los frena de forma progresiva, algo novedoso respecto
de concepciones anteriores que entendían que el movimiento o la detención de un
cuerpo se debía exclusivamente a si se ejercía sobre ellos una fuerza, pero
nunca entendiendo como esta a la fricción.
En consecuencia, un
cuerpo con movimiento rectilíneo uniforme implica que no existe ninguna fuerza
externa neta o, dicho de otra forma; un objeto en movimiento no se detiene de
forma natural si no se aplica una fuerza sobre él. En el caso de los cuerpos en
reposo, se entiende que su velocidad es cero, por lo que si esta cambia es
porque sobre ese cuerpo se ha ejercido una fuerza neta.
La primera ley de
Newton sirve para definir un tipo especial de sistemas de referencia conocidos como
Sistemas de referencia inerciales, que son aquellos sistemas de referencia
desde los que se observa que un cuerpo sobre el que no actúa ninguna fuerza
neta se mueve con velocidad constante.
En realidad, es
imposible encontrar un sistema de referencia inercial, puesto que siempre hay
algún tipo de fuerzas actuando sobre los cuerpos, pero siempre es posible
encontrar un sistema de referencia en el que el problema que estemos estudiando
se pueda tratar como si estuviésemos en un sistema inercial. En muchos casos,
por ejemplo, suponer a un observador fijo en la Tierra es una buena
aproximación de sistema inercial. Lo anterior porque a pesar que la Tierra
cuenta con una aceleración traslacional y rotacional estas son del orden de
0.01 m/s^2 y en consecuencia podemos considerar que un sistema de referencia de
un observador dentro de la superficie terrestre es un sistema de referencia
inercial.
Segunda ley de Newton o Ley de fuerza
La segunda ley del
movimiento de Newton dice que:
El cambio de movimiento
es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según la línea recta a lo
largo de la cual aquella fuerza se imprime.
Esta ley explica qué
ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser
constante) actúa una fuerza neta: la fuerza modificará el estado de movimiento,
cambiando la velocidad en módulo o dirección. En concreto, los cambios
experimentados en el momento lineal de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se
desarrollan en la dirección de esta; las fuerzas son causas que producen
aceleraciones en los cuerpos. Consecuentemente, hay relación entre la causa y el efecto, la fuerza y la aceleración están relacionadas. Dicho
sintéticamente, la fuerza se define simplemente en función del momento en que
se aplica a un objeto, con lo que dos fuerzas serán iguales si causan la misma
tasa de cambio en el momento del objeto.
En términos matemáticos
esta ley se expresa mediante la relación:
Donde:
es el momento lineal
Suponiendo que la masa
es constante y que la velocidad es muy inferior a la velocidad de la luz la ecuación anterior se puede reescribir de la
siguiente manera:
Sabemos que es el momento lineal, que se puede escribir m .V donde m es la masa del cuerpo y V su velocidad.
Consideramos a la masa
constante y podemos escribir aplicando estas modificaciones a la ecuación
anterior:
La fuerza es el
producto de la masa por la aceleración, que es la
ecuación fundamental de la dinámica, donde la constante de proporcionalidad,
distinta para cada cuerpo, es su masa de inercia.
Veamos lo siguiente, si despejamos m de la ecuación anterior obtenemos que m es
la relación que existe entre y . Es decir la relación que hay entre la fuerza aplicada al
cuerpo y la aceleración obtenida. Cuando un cuerpo tiene una gran resistencia a
cambiar su aceleración (una gran masa) se dice que tiene mucha inercia. Es por
esta razón por la que la masa se define como una medida de la inercia del
cuerpo.
Por tanto, si la fuerza
resultante que actúa sobre una partícula no es cero, esta partícula tendrá una
aceleración proporcional a la magnitud de la resultante y en dirección de ésta.
La expresión anterior así establecida es válida tanto para la mecánica clásica como para la mecánica relativista, a pesar de que la definición de momento lineal es
diferente en las dos teorías: mientras que la dinámica clásica afirma que la
masa de un cuerpo es siempre la misma, con independencia de la velocidad con la
que se mueve, la mecánica relativista establece que la masa de un cuerpo
aumenta al crecer la velocidad con la que se mueve dicho cuerpo.
De la ecuación fundamental
se deriva también la definición de la unidad de fuerza o newton (N). Si la
masa y la aceleración valen 1, la fuerza también valdrá 1; así, pues, el newton
es la fuerza que aplicada a una masa de un kilogramo le produce una aceleración
de 1 m/s². Se entiende que la aceleración y la fuerza han de tener la misma
dirección y sentido.
La importancia de esa
ecuación estriba sobre todo en que resuelve el problema de la dinámica de
determinar la clase de fuerza que se necesita para producir los diferentes
tipos de movimiento: rectilíneo
uniforme (m.r.u), circular
uniforme (m.c.u) y uniformemente
acelerado (m.r.u.a).
Si sobre el cuerpo
actúan muchas fuerzas, habría que determinar primero el vector suma de todas
esas fuerzas. Por último, si se tratase de un objeto que cayese hacia la tierra
con una resistencia del aire igual a cero, la fuerza sería su peso, que
provocaría una aceleración descendente igual a la de la gravedad.
Tercera ley de Newton o Ley de acción y reacción
Con toda acción ocurre
siempre una reacción igual y contraria: o sea, las acciones mutuas de dos
cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.
La tercera ley de
Newton es completamente original (pues las dos primeras ya habían sido
propuestas de otras maneras por Galileo, Hooke y Huygens) y hace de las leyes de la mecánica un conjunto lógico y
completo.8 Expone que
por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo (empuje), este
realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el
cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la
misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección,
pero con sentido opuesto.
Este principio
presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente
en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su formulación
original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se propagan
por el espacio de modo instantáneo sino que lo hacen a velocidad finita
"c".
Es importante observar
que este principio de acción y reacción relaciona dos fuerzas que no están
aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según
sean sus masas. Por lo demás, cada una de esas fuerzas obedece por separado a
la segunda ley. Junto con las anteriores leyes, ésta permite enunciar los
principios de conservación del momento lineal y del momento angular.
Versión débil de ley de acción y reacción
Como se explicó en la
sección anterior ciertos sistemas magnéticos no cumplen el enunciado fuerte de
esta ley (tampoco lo hacen las fuerzas eléctricas ejercidas entre una carga
puntual y un dipolo). Sin embargo si se relajan algo las condiciones los
anteriores sistemas sí cumplirían con otra formulación más débil o relajada de
la ley de acción y reacción. En concreto los sistemas descritos que no cumplen
la ley en su forma fuerte, si cumplen la ley de acción y reacción en su forma
débil:
La acción y la reacción
deben ser de la misma magnitud (aunque no necesariamente deben encontrarse
sobre la misma línea)
Todas las fuerzas de la
mecánica clásica y el electromagnetismo no-relativista cumplen con la
formulación débil, si además las fuerzas están sobre la misma línea entonces
también cumplen con la formulación fuerte de la tercera ley de Newton.
Un
cuerpo se encuentra en equilibrio traslacional cuando la sumatoria de todas
las componentes en X es igual a 0 y todas las componentes en Y es igual a 0.
Cuando
un cuerpo esta en equilibrio traslacional no tiene fuerza resultante actuando
sobre el.
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Una caja de 8 N está suspendida por un alambre de 2 m que forma un
ángulo de 45° con la vertical. ¿Cuál es el valor de las fuerzas horizontal y en el
alambre para que el cuerpo se mantenga estático?.
Primero se visualiza el problema de la siguiente manera:
Primero se visualiza el problema de la siguiente manera:
A continuación se elabora su diagrama de cuerpo libre.
Ahora por medio de la descomposición de los vectores, calculamos
la fuerza de cada uno de ellos.
F1x = - F1cos 45°*
F1y = F1sen 45°
F2x = F2cos 0° = F2
F2y = F2sen0°=0
F3x = F3cos90°=0
F3y = - F3sen 90° = - 8 N*
F1y = F1sen 45°
F2x = F2cos 0° = F2
F2y = F2sen0°=0
F3x = F3cos90°=0
F3y = - F3sen 90° = - 8 N*
Porque los cuadrantes en los que se localizan son negativos.
Como únicamente conocemos los valores de F3, F2 y la sumatoria debe ser igual a cero en x e y, tenemos lo siguiente:
Como únicamente conocemos los valores de F3, F2 y la sumatoria debe ser igual a cero en x e y, tenemos lo siguiente:
EFx=F1x+F2x+F3x=0
EFy=F1y+F2y+F3y=0
Por lo tanto tenemos lo siguiente:
EFx=-F1cos
45+F2=0
F2=F1(0.7071)
EFy=-F1sen45-8N=0
8N=F1(0.7071)
F1=8N/0.7071=11.31 N
F2=F1(0.7071)
EFy=-F1sen45-8N=0
8N=F1(0.7071)
F1=8N/0.7071=11.31 N
Para calcular F2, se sustituye F1 de la ecuación siguiente:
F2=F1(0.7071)
F2=11.31(0.7071)=8N
F2=11.31(0.7071)=8N
Ejemplo de Equilibrio
rotacional y traslacional
Condiciones de equilibrio: Para que un cuerpo se encuentre en equilibrio, se requiere que la
sumatoria de todas las fuerzas o torcas que actúan sobre él sea igual a cero.
Se dice que todo cuerpo tiene dos tipos de equilibrio, el de traslación y el de rotación.
Traslación: Es aquel que surge en el momento en que todas las fuerzas que
actúan sobre el cuerpo se nulifican, o sea, la sumatoria de las mismas sea
igual a cero.
EFx = 0
EFy = 0
EFx = 0
EFy = 0
Rotación: Es aquel que surge en el momento en que todas las torcas que
actúan sobre el cuerpo sean nulas, o sea, la sumatoria de las mismas sea igual
a cero.
EMx= 0
EMy= 0
EMx= 0
EMy= 0
Aplicaciones: Se utiliza en todo tipo de instrumentos en los cuales se requiera
aplicar una o varias fuerzas o torques para llevar a cabo el equilibrio de un
cuerpo. Entre los instrumentos más comunes están la palanca,la balanza romana,
la polea, el engrane, etc.
EJEMPLO DE PROBLEMA DE
APLICACIÓN:
Una caja de 8 N está suspendida
por un alambre de 2 m que forma un ángulo de 45° con la vertical. ¿Cuál es el
valor de las fuerzas horizontal y en el alambre para que el cuerpo se mantenga
estático?.
Primero se visualiza el problema de la siguiente manera:
Primero se visualiza el problema de la siguiente manera:
A continuación se elabora su
diagrama de cuerpo libre.
Ahora por medio de la
descomposición de los vectores, calculamos la fuerza de cada uno de ellos.
F1x = - F1cos 45°*
F1y = F1sen 45°
F2x = F2cos 0° = F2
F2y = F2sen0°=0
F3x = F3cos90°=0
F3y = - F3sen 90° = - 8 N*
F1y = F1sen 45°
F2x = F2cos 0° = F2
F2y = F2sen0°=0
F3x = F3cos90°=0
F3y = - F3sen 90° = - 8 N*
Porque los cuadrantes en los
que se localizan son negativos.
Como únicamente conocemos los valores de F3, F2 y la sumatoria debe ser igual a cero en x e y, tenemos lo siguiente:
Como únicamente conocemos los valores de F3, F2 y la sumatoria debe ser igual a cero en x e y, tenemos lo siguiente:
EFx=F1x+F2x+F3x=0
EFy=F1y+F2y+F3y=0
Por lo tanto tenemos lo
siguiente:
EFx=-F1cos 45+F2=0
F2=F1(0.7071)
EFy=-F1sen45-8N=0
8N=F1(0.7071)
F1=8N/0.7071=11.31 N
F2=F1(0.7071)
EFy=-F1sen45-8N=0
8N=F1(0.7071)
F1=8N/0.7071=11.31 N
Para calcular F2, se
sustituye F1 de la
ecuación siguiente:
F2=F1(0.7071)
F2=11.31(0.7071)=8N
F2=11.31(0.7071)=8N
Fricción
Fig. 1 - Fricción estática: no se inicia el movimiento si la
fuerza tangencial aplicada T hace que el ángulo sea menor a φ0 (no supera a Fr).
Se define como fuerza de rozamiento o fuerza de fricción, a la fuerza entre dos
superficies en contacto, a aquella que se opone al movimiento entre ambas
superficies (fuerza de fricción dinámica) o a la fuerza que se opone al
inicio del movimiento (fuerza de fricción estática). Se genera debido a
las imperfecciones, mayormente microscópicas, entre las superficies en
contacto. Estas imperfecciones hacen que la fuerza perpendicular R entre ambas superficies no lo sea
perfectamente, si no que forme un ángulo φ con la normalN (el ángulo de rozamiento). Por tanto,
la fuerza resultante se compone de la fuerza normal N (perpendicular a las superficies en
contacto) y de la fuerza de rozamiento F,
paralela a las superficies en contacto.
Rozamiento
entre superficies de dos sólidos
En el rozamiento entre cuerpos sólidos se ha observado que
son válidos de forma
aproximada los siguientes
hechos empíricos:
1.
La fuerza de rozamiento tiene dirección paralela a la superficie
de apoyo.
2.
El coeficiente de rozamiento depende exclusivamente de la
naturaleza de los cuerpos en contacto, así como del estado en que se encuentren
sus superficies.
3.
La fuerza máxima de rozamiento es directamente proporcional a la fuerza normal que actúa entre las superficies de contacto.
4.
Para un mismo par de cuerpos (superficies de contacto), el
rozamiento es mayor un instante antes de que comience el movimiento que cuando
ya ha comenzado (estático Vs. cinético).
El rozamiento puede variar en una medida mucho menor debido
a otros factores:
1.
El coeficiente de rozamiento es prácticamente independiente del
área de las superficies de contacto.
2.
El coeficiente de rozamiento cinético es prácticamente
independiente de la velocidad relativa entre los móviles.
3.
La fuerza de rozamiento puede aumentar ligeramente si los cuerpos
llevan mucho tiempo sin moverse uno respecto del otro ya que pueden sufrir atascamiento entre sí.
Algunos autores sintetizan las leyes del comportamiento de la
fricción en los siguientes dos postulados básicos:[1]
1.
La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es
proporcional a la fuerza normal ejercida entre los mismos.
2.
La resistencia al deslizamiento tangencial entre dos cuerpos es
independiente de las dimensiones de contacto entre ambos.
La segunda ley puede ilustrarse arrastrando un bloque sobre
una superficie plana. La fuerza de arrastre será la misma aunque el bloque
descanse sobre la cara ancha o sobre un borde más angosto. Estas leyes fueron
establecidas primeramente por Leonardo
da Vinci al final del siglo XV, olvidándose después
durante largo tiempo; posteriormente fueron redescubiertas por el ingeniero francés Amontons en
1699. Frecuentemente se les denomina también leyes de Amontons.
Trabajo (física)
Trabajo (W)
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Trabajo (W)
|
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Definición
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Producto de la
fuerza ejercida sobre un cuerpo por su desplazamiento
|
Tipo
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Magnitud escalar
|
Julio (J)
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|
Otras unidades
|
Kilojulio (kJ)
Kilográmetro (kgm) |
En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza sobre un
cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo.1 El trabajo es
una magnitud físicaescalar que se representa con la letra (del inglés Work)
y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema
Internacional de Unidades.
Ya que por definición
el trabajo es un tránsito de energía,2 nunca se
refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW.
Matemáticamente se
expresa como:
Donde es el módulo de la fuerza, es el desplazamiento y es el ángulo que forman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento (véase dibujo).
Cuando el vector fuerza
es perpendicular al vector
desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza
trabajo alguno. Asimismo, si no hay desplazamiento, el trabajo también será
nulo.
Trabajo de una fuerza.
Consideremos una
partícula sobre la que actúa una fuerza , función de la posición de la partícula en el espacio,
esto es y sea un desplazamiento elemental (infinitesimal) experimentado por la partícula durante un intervalo de
tiempo . Llamamos trabajo elemental, , de la fuerza durante el desplazamiento elemental al producto escalar ; esto es,
Si representamos por la longitud de arco (medido sobre la trayectoria de la
partícula) en el desplazamiento elemental, esto es , entonces el vector tangente a la trayectoria
viene dado por y podemos escribir la expresión anterior en la
forma
donderepresenta el ángulo determinado por los vectores y yes la componente de la fuerza F en la dirección del desplazamiento
elemental .
El trabajo realizado
por la fuerza durante un desplazamiento elemental de la partícula sobre
la que está aplicada es una magnitud escalar, que podrá ser positiva, nula o
negativa, según que el ángulo sea agudo, recto u obtuso.
Si la partícula P
recorre una cierta trayectoria en el espacio, su desplazamiento total entre dos
posiciones A y B puede considerarse como el resultado de sumar infinitos
desplazamientos elementales y el trabajo total realizado por la fuerza en ese desplazamiento será la suma de todos esos trabajos
elementales; o sea
Esto es, el trabajo
viene dado por la integral curvilínea de a lo largo de la curva que une los dos puntos; en otras palabras, por la circulación de sobre la curva entre los puntos A y B. Así pues, el trabajo es una
magnitud física escalar que dependerá en general de la trayectoria que una los
puntos A y B, a no ser que la fuerza sea conservativa, en cuyo caso el trabajo resultará ser independiente del
camino seguido para ir del punto A al punto B, siendo nulo en una trayectoria
cerrada. Así, podemos afirmar que el trabajo no es una variable de estado.
En el caso particular
de que la fuerza aplicada a la partícula sea constante (en módulo, dirección3 y sentido4 ), se tiene
que
es decir, el trabajo
realizado por una fuerza constante viene expresado por el producto escalar de
la fuerza por el vector desplazamiento total entre la posición inicial y la
final.
Si sobre una partícula
actúan varias fuerzas y queremos calcular el trabajo total realizado sobre esta
ella, entonces representará al vector resultante de todas las fuerzas
aplicadas.
En el caso de un sistema termodinámico, el trabajo no es necesariamente de naturaleza puramente
mecánica, ya que la energía intercambiada en las interacciones puede ser
también calorífica, eléctrica, magnética o química, por lo que no siempre
podrá expresarse en la forma de trabajo mecánico.
No obstante, existe una
situación particularmente simple e importante en la que el trabajo está
asociado a los cambios de volumen que
experimenta un sistema (v.g., un fluido contenido en un recinto de forma
variable).
Así, si consideramos un
fluido que se encuentra sometido a una presión externa y que evoluciona desde un estado caracterizado
por un volumen a otro con un volumen , el trabajo realizado será:
resultando un trabajo
positivo () si se trata de una expansión del sistema y negativo en caso contrario, de acuerdo con el convenio de
signos aceptado en la Termodinámica. En un proceso cuasiestático y
sin fricción la presión exterior () será igual en cada instante a la presión () del fluido, de modo que el trabajo intercambiado por el
sistema en estos procesos se expresa como
De estas expresiones se
infiere que la presión se comporta como una fuerza
generalizada, en tanto que el volumen
actúa como un desplazamiento
generalizado; la presión y el volumen
constituyen una pareja de variables conjugadas.
Potencia (física)
Si W es la cantidad de trabajo realizado durante un intervalo de tiempo de duración Δt,
la potencia media durante ese intervalo está dada por la
relación:
La potencia instantánea es el valor límite de la potencia
media cuando el intervalo de tiempo Δt se
aproxima a cero:
Donde
- P es la potencia,
- W es el trabajo,
- t es el tiempo.
- r es el vector de posición.
- F es la fuerza.
- v es la velocidad.
Potencia eléctrica
La potencia eléctrica P
desarrollada en un cierto instante por un dispositivo viene dada por la
expresión
Donde:
- P(t) es la potencia
instantánea, medida en vatios (julios/segundos).
- I(t) es la corriente que
circula por él, medida en amperios.
- V(t) es la diferencia de
potencial (caída de voltaje) a través del componente, medida en voltios.
Si el componente es una
resistencia, tenemos:
Donde:
- R es la resistencia, medida en ohmios.
Potencia sonora
La potencia del sonido,
considerada como la cantidad de energía que transporta la onda sonora por unidad de
tiempo a través de una superficie dada, depende de la intensidad de la onda sonora y de la superficie , viniendo
dada, en el caso general, por:
- Ps es la potencia
- Is es la intensidad sonora.
- dS es el elemento de
superficie sobre alcanzado por la onda sonora.
Para una fuente
aislada, el cálculo de la potencia sonora total emitida requiere que la
integral anterior se extienda sobre una superficie cerrada.
Unidades de potencia
- Sistema
Internacional (SI):
- Vatio, (W):
- Sistema inglés:
- caballo de fuerza o caballo de potencia, horsepower en inglés, (HP)
- 1 HP = 550 ft·lbf/s
- 1 HP = 745,699 871 582 270 22 W
- Sistema
técnico de unidades:
- kilográmetro por segundo, (kgm/s)
- 1 kgm/s = 9,80665 W
- Sistema cegesimal
- ergio por segundo, (erg/s)
- 1 erg/s = 1x10-7 W
- Otras unidades:
- caballo de vapor, (CV)
- 1 CV = 75 kgf·m/s = 735,49875 W
Energía potencial
Los carros de una montaña rusa alcanzan su
máxima energía potencial gravitacional en la parte
más alta del recorrido. Al descender, ésta es convertida en energía cinética, la que llega a ser máxima en el fondo de la trayectoria
(y la energía potencial mínima). Luego, al volver a elevarse debido a la inercia del
movimiento, el traspaso de energías se invierte. Si se asume una fricción insignificante,
la energía total del sistema permanece constante.
En un sistema físico, la energía potencial es la energía que mide la capacidad
que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función exclusivamente de su posición o configuración.
Puede pensarse como la energía
almacenada en el sistema, o
como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Suele abreviarse con
la letra o .
La energía potencial
puede presentarse como energía
potencial gravitatoria, energía
potencial electrostática, y energía potencial
elástica.
Más rigurosamente, la
energía potencial es una magnitud escalar asociada a un campo de fuerzas (o como en elasticidad un campo tensorial de tensiones). Cuando la energía potencial está asociada a
un campo de fuerzas, la diferencia entre los valores del campo en dos puntos A
y B es igual al trabajo realizado por la fuerza para cualquier recorrido entre
B y A.
Energía cinética
Los carros de una montaña rusa alcanzan su
máxima energía cinética cuando están en el fondo de su trayectoria. Cuando
comienzan a elevarse, la energía cinética comienza a ser convertida a energía potencial gravitacional, pero,
si se asume una fricción insignificante
y otros factores de retardo, la cantidad total de energía en el sistema sigue
siendo constante.
En física, la energía cinética de un cuerpo es aquella energía que posee
debido a su movimiento. Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada
desde el reposo hasta la velocidad indicada. Una vez conseguida esta energía
durante la aceleración, el cuerpo
mantiene su energía cinética salvo que cambie su velocidad. Para que el cuerpo
regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma
magnitud que su energía cinética. Suele abreviarse con letra Ec o Ek (a veces también T o K).
Introducción
El adjetivo «cinético»
en el nombre energía viene de la
antigua palabra griegaκίνησις, kinesis, que significa «movimiento». El término energía cinéticatrabajo y su significado científico provienen
del siglo XIX. Los primeros conocimientos de esas ideas pueden ser atribuidos a GaspardGustaveCoriolis quien en 1829 publicó un artículo titulado Du Calcul de l'Effet des Machines esbozando las matemáticas de la
energía cinética. El término energía
cinética se debe a William Thomson más conocido como Lord Kelvin en 1849.
Existen varias formas
de energía como la energía química, el calor, la radiación
electromagnética, la energía nuclear, las
energías gravitacional, eléctrica, elástica, etc, todas ellas pueden ser
agrupadas en dos tipos: la energía potencial y la energía cinética.
La energía cinética
puede ser entendida mejor con ejemplos que demuestren cómo ésta se transforma
de otros tipos de energía y a otros tipos de energía. Por ejemplo un ciclista
quiere usar la energía química que le proporcionó su comida para acelerar su bicicleta a
una velocidad elegida. Su velocidad puede mantenerse sin mucho trabajo, excepto
por la resistencia del aire y la fricción. La energía convertida en una energía
de movimiento, conocida como energía
cinética, pero el proceso no es completamente eficiente y el ciclista
también produce calor.
La energía cinética en
movimiento de la bicicleta y el ciclista pueden
convertirse en otras formas. Por ejemplo, el ciclista puede encontrar una
cuesta lo suficientemente alta para subir, así que debe cargar la bicicleta
hasta la cima. La energía cinética hasta ahora usada se habrá convertido en
energía potencial gravitatoria que puede liberarse lanzándose cuesta abajo por
el otro lado de la colina. Alternativamente el ciclista puede conectar una dínamo a una de sus ruedas y así generar energía eléctrica en el
descenso. La bicicleta podría estar viajando más despacio en el final de la
colina porque mucha de esa energía ha sido desviada en hacer energía eléctrica.
Otra posibilidad podría ser que el ciclista aplique sus frenos y en ese caso la
energía cinética se estaría disipando a través de la fricción en energía
calórica.
Como cualquier magnitud
física que sea función de la velocidad, la energía cinética de un objeto no
solo depende de la naturaleza interna de ese objeto, también depende de la
relación entre el objeto y el observador (en física un observador es
formalmente definido por una clase particular de sistema de coordenadas llamado sistema
inercial de referencia). Magnitudes
físicas como ésta son llamadas invariantes.
La energía cinética esta co-localizada con el objeto y atribuido a ese campo
gravitacional.
El cálculo de la
energía cinética se realiza de diferentes formas según se use la mecánica
clásica, la mecánica relativista o la mecánica cuántica. El modo correcto de
calcular la energía cinética de un sistema depende de su tamaño, y la velocidad
de las partículas que lo forman. Así, si el objeto se mueve a una velocidad
mucho más baja que la velocidad de la luz, la mecánica clásica de Newton será
suficiente para los cálculos; pero si la velocidad es cercana a la velocidad de
la luz, la teoría de la relatividad empieza a mostrar diferencias
significativas en el resultado y debería ser usada. Si el tamaño del objeto es
más pequeño, es decir, de nivel subatómico, la mecánica cuántica es más apropiada.