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La energía. Desde que empezaste física, tus profesores no han dejado de hablar de energía: conservación de la energía, energía potencial, energía cinética, energía mecánica. Ahora mismo, probablemente hayas leído el título de este artículo y te estés preguntando: "¿cuándo se acaba? ¿Ahora también existe algo llamado energía disipativa?".
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Regístrate gratisUn coche en movimiento en la carretera en un sistema coche-tierra tiene___
La energía mecánica implica___
¿Cuáles de estos son ejemplos de fuerzas disipativas?
Un plano en movimiento en un sistema plano-tierra tiene___
Un avión en movimiento en un sistema de sólo plano tiene___
Un muelle se sumerge en agua, lo que reduce su capacidad de oscilación. Es un ejemplo de___
La ley de conservación de la energía no se cumple cuando hay fuerzas no conservativas en el sistema que disipan energía.
¿Cuál es un ejemplo de energía disipada?
¿Cuál es la fórmula de la energía disipada en un condensador?
Un sistema en el que interactúan fuerzas conservativas puede tener energía cinética o potencial.
Un sistema en el que intervienen fuerzas no conservativas puede tener___
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La ley de conservación de la energía no se cumple cuando hay fuerzas no conservativas en el sistema que disipan energía.
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Equipo de profesores de disipación de energía
Esperemos que este artículo te ayude a informarte y te anime, ya que sólo estamos arañando la superficie de los muchos secretos de la energía. A lo largo de este artículo, aprenderás sobre la disipación de energía, más comúnmente conocida como energía residual: su fórmula y sus unidades, e incluso realizarás algunos ejemplos de disipación de energía. Pero no empieces a sentirte agotado todavía; acabamos de empezar.
Para comprender la disipación de energía, primero tendremos que entender la ley de conservación de la energía.
Conservación de la energía es el término utilizado para describir el fenómeno físico de que la energía no puede crearse ni destruirse. Sólo puede convertirse de una forma en otra.
Bien, si la energía no puede crearse ni destruirse, ¿cómo puede disiparse? Responderemos a esta pregunta con más detalle un poco más adelante, pero de momento recuerda que, aunque la energía no puede crearse ni destruirse, sí puede convertirse en diversas formas. Es durante la conversión de la energía de una forma a otra cuando la energía puede disiparse.
La disipación de energía nos ayuda a comprender mejor las interacciones físicas. Aplicando el concepto de disipación de energía, podemos predecir mejor cómo se moverán y actuarán los sistemas. Pero, para comprenderlo plenamente, primero tendremos que tener algunas nociones sobre la energía y el trabajo.
Un sistema de un solo objeto sólo puede tener energía cinética; esto tiene mucho sentido porque la energía suele ser el resultado de interacciones entre objetos. Por ejemplo, la energía potencial puede ser el resultado de la interacción entre un objeto y la fuerza gravitatoria de la Tierra. Además, el trabajo realizado sobre un sistema suele ser el resultado de la interacción entre el sistema y alguna fuerza exterior. La energía cinética, sin embargo, sólo depende de la masa y la velocidad de un objeto o sistema; no requiere la interacción entre dos o más objetos. Por tanto, un sistema de un solo objeto siempre tendrá sólo energía cinética.
Un sistema que implique la interacción entre fuerzas conservativas puede tener tanto energía cinética como potencial. Como se menciona en el ejemplo anterior, la energía potencial puede ser el resultado de la interacción entre un objeto y la fuerza gravitatoria de la Tierra. La fuerza de la gravedad es conservativa; por tanto, puede ser el catalizador que permita la entrada de energía potencial en un sistema.
La energía mecánica es la energía cinética más la energía potencial, lo que nos lleva a su definición.
Laenergía mecánica es la energía total basada en la posición o el movimiento de un sistema.
Dado que la energía mecánica es la suma de la energía cinética y potencial de un objeto, su fórmula sería algo así
$$E_\text{mec} = KE + U\mathrm{.}$$
Eltrabajo es la energía transferida dentro o fuera de un sistema debido a una fuerza exterior. La conservación de la energía exige que cualquier cambio de un tipo de energía dentro de un sistema se equilibre con un cambio equivalente de otros tipos de energías dentro del sistema o con una transferencia de energía entre el sistema y su entorno.
Fig. 2 - Cuando el atleta coge y balancea el martillo, se realiza trabajo en el sistema martillo-tierra. Una vez que se suelta el martillo, todo ese trabajo desaparece. La energía cinética debe equilibrar la energía potencial hasta que el martillo golpea el suelo.
Por ejemplo, tomemos el lanzamiento del martillo. Por ahora, sólo nos centraremos en el movimiento del martillo en dirección vertical e ignoraremos la resistencia del aire. Mientras el martillo está en el suelo, no tiene energía. Sin embargo, si realizo un trabajo sobre el sistema martillo-tierra y lo recojo, le doy una energía potencial que antes no tenía. Este cambio en la energía del sistema tiene que equilibrarse. Mientras lo sostengo, la energía potencial equilibra el trabajo que he realizado sobre él al cogerlo. Sin embargo, una vez que balanceo y luego arrojo el martillo, todo el trabajo que estaba realizando desaparece.
Esto es un problema. El trabajo que estaba realizando sobre el martillo ya no equilibra la energía potencial del martillo. A medida que cae, la componente vertical de la velocidad del martillo aumenta de magnitud; esto hace que tenga energía cinética, con la correspondiente disminución de la energía potencial a medida que se acerca a cero. Ahora, todo está bien porque la energía cinética provocó un cambio equivalente en la energía potencial. Entonces, una vez que el martillo golpea el suelo, todo vuelve a ser como era inicialmente, ya que no hay más cambio de energía en el sistema martillo-tierra.
Si hubiéramos incluido el movimiento del martillo en la dirección horizontal, así como la resistencia del aire, tendríamos que hacer la distinción de que la componente horizontal de la velocidad del martillo disminuiría a medida que el martillo volara, porque la fuerza de fricción de la resistencia del aire frenaría al martillo. La resistencia del aire actúa como una fuerza externa neta sobre el sistema, por lo que la energía mecánica no se conserva, y parte de la energía se disipa. Esta disipación de energía se debe directamente a la disminución de la componente horizontal de la velocidad del martillo, que provoca un cambio en la energía cinética del martillo. Este cambio de energía cinética es consecuencia directa de la resistencia del aire que actúa sobre el sistema y disipa energía del mismo.
Observa que en nuestro ejemplo examinamos el sistema martillo-Tierra. La energía mecánica total se conserva cuando el martillo golpea el suelo, porque la Tierra forma parte de nuestro sistema. La energía cinética del martillo se transfiere a la Tierra, pero como la Tierra es mucho más masiva que el martillo, el cambio en el movimiento de la Tierra es imperceptible. La energía mecánica sólo no se conserva cuando sobre el sistema actúa una fuerza externa neta. La Tierra, sin embargo, forma parte de nuestro sistema, por lo que la energía mecánica se conserva.
Llevamos mucho tiempo hablando de la conservación de la energía. Vale, admito que ha habido mucho montaje, pero ha llegado el momento de abordar el tema de este artículo: la disipación de energía.
Un ejemplo típico de disipación de energía es la energía perdida por las fuerzas de rozamiento.
Ladisipación de energía es la energía transferida fuera de un sistema debido a una fuerza no conservativa. Esta energía puede considerarse desperdiciada porque no se almacena como energía útil y el proceso es irreversible.
Por ejemplo, supongamos que Sally está a punto de tirarse por un tobogán. Al principio, toda su energía es potencial. Luego, a medida que baja por el tobogán, su energía se transfiere de energía potencial a energía cinética. Sin embargo, el tobogán no está exento de fricción, lo que significa que parte de su energía potencial se convierte en energía térmica debido a la fricción. Sally nunca recuperará esta energía térmica. Por tanto, llamamos a esa energía disipada.
Podemos calcular esta energía "perdida" restando la energía cinética final de Sally de su energía potencial inicial:
$$\text{Energía Disipada}=PE-KE.$$
El resultado de esa diferencia nos dará cuánta energía se convirtió en calor debido a la fuerza de fricción no conservativa que actúa sobre Sally.
La energía disipada tiene las mismas unidades que todas las demás formas de energía: julios.
La energía disipada está directamente relacionada con la Segunda Ley de la Termodinámica, que establece que la entropía de un sistema siempre aumenta con el tiempo debido a la incapacidad de la energía térmica para convertirse en trabajo mecánico útil. Esencialmente, esto significa que la energía disipada, por ejemplo, la energía que Sally pierde por la fricción, nunca puede volver a convertirse en el sistema como trabajo mecánico. Una vez que la energía se convierte en algo distinto de la energía cinética o potencial, esa energía se pierde.
Como hemos visto anteriormente, la energía disipada resultante se debe directamente a una fuerza no conservativa que actúa sobre Sally.
Cuando una fuerza no conservativa actúa sobre un sistema, la energía mecánica no se conserva.
Todos los disipadores de energía funcionan utilizando fuerzas no conservativas para realizar trabajo sobre el sistema. La fricción es un ejemplo perfecto de fuerza no conservativa y de disipador de energía. La fricción del tobogán hizo trabajo sobre Sally, lo que provocó que parte de su energía mecánica (la energía potencial y cinética de Sally) se transfiriera a energía térmica; esto significaba que la energía mecánica no se conservaba perfectamente. Por tanto, para aumentar la energía disipada de un sistema, podemos aumentar el trabajo realizado por una fuerza no conservativa sobre dicho sistema.
Otros ejemplos típicos de disipadores de energía son:
El calor, la luz y el sonido son las formas más comunes de energía disipada por fuerzas no conservativas.
Un gran ejemplo de disipador de energía es un alambre en un circuito. Los cables no son conductores perfectos; por tanto, la corriente del circuito no puede fluir perfectamente a través de ellos. Dado que la energía eléctrica está directamente relacionada con el flujo de electrones en un circuito, la pérdida de algunos de esos electrones a través de la más mínima resistencia de un cable hace que el sistema disipe energía. Esta energía eléctrica "perdida" abandona el sistema en forma de energía térmica.
Ahora hablaremos con más detalle de otro tipo de disipador de energía: la amortiguación.
Laamortiguación es una influencia sobre o dentro de un oscilador armónico simple que reduce o impide su oscilación.
De forma similar al efecto de la fricción en un sistema, una fuerza de amortiguación aplicada a un objeto oscilante puede provocar la disipación de energía. Por ejemplo, los muelles amortiguados de la suspensión de un coche permiten absorber el choque del coche que rebota al circular. Normalmente, la energía debida a osciladores armónicos simples tendrá un aspecto parecido al de la Fig. 4 siguiente, y sin una fuerza exterior como la fricción, este patrón continuaría eternamente.
Fig. 3 - La energía total de un muelle oscila entre almacenar toda ella en energía cinética y toda ella en energía potencial.
Sin embargo, cuando hay amortiguación en el muelle, el patrón anterior no se mantendrá para siempre, porque con cada nueva subida y bajada, parte de la energía del muelle se disipará debido a la fuerza de amortiguación. A medida que pase el tiempo, la energía total del sistema disminuirá y, finalmente, toda la energía se disipará del sistema. Por tanto, el movimiento de un muelle afectado por la amortiguación tendría este aspecto.
Recuerda que la energía no puede crearse ni destruirse: el término energía perdida se refiere a la energía que se disipa de un sistema. Por tanto, la energía perdida o disipada debido a la fuerza de amortiguación del muelle podría cambiar de forma y convertirse en energía calorífica.
Algunos ejemplos de amortiguación son
La amortiguación no debe confundirse con la fricción. Mientras que la fricción puede ser una causa de amortiguación, la amortiguación se aplica únicamente al efecto de una influencia para frenar o impedir las oscilaciones de un oscilador armónico simple. Por ejemplo, un muelle con su lado lateral hacia el suelo experimentaría una fuerza de rozamiento al oscilar de un lado a otro. La fig. 5 muestra un muelle que se mueve hacia la izquierda. A medida que el muelle se desliza por el suelo, siente la fuerza de rozamiento que se opone a su movimiento, dirigido hacia la derecha. En este caso, la fuerza \(F_\text{f}\) es a la vez una fuerza de rozamiento y de amortiguación.
Fig. 4 - En algunos casos, el rozamiento puede actuar como fuerza de amortiguación sobre un muelle.
Por tanto, es posible tener simultáneamente fuerzas de rozamiento y de amortiguación, pero eso no siempre implica su equivalencia. La fuerza de amortiguación sólo se aplica cuando una fuerza ejerce para oponerse al movimiento oscilatorio de un oscilador armónico simple. Si el propio muelle fuera viejo y sus componentes estuvieran endurecidos, esto provocaría la reducción de su movimiento oscilatorio y esos componentes viejos podrían considerarse causas de amortiguación, pero no de fricción.
No existe una fórmula general para la disipación de energía, porque la energía puede disiparse de forma diferente según la situación del sistema.
En el ámbito de la electricidad, el magnetismo y los circuitos, la energía se almacena y disipa en condensadores. Los condensadores actúan como almacenes de energía en un circuito. Una vez que se cargan completamente, actúan como resistencias porque no quieren aceptar más cargas. La fórmula de la disipación de energía en un condensador es:
$$Q=I^2X_\text{c} = \frac{V^2}{X_\text{c}},\$$
donde \(Q\) es la carga, \(I\) es la corriente, \(X_\text{c}\) es la reactancia, y \(V\\) es el voltaje.
La reactancia \(X_\text{c}\) es un término que cuantifica la resistencia de un circuito a un cambio en su flujo de corriente. La reactancia se debe a la capacitancia e inductancia de un circuito y hace que la corriente del circuito esté desfasada respecto a su fuerza electromotriz.
La inductancia de un circuito es la propiedad de un circuito eléctrico que genera una fuerza electromotriz debido a la corriente cambiante del circuito. Por tanto, la reactancia y la inductancia se oponen entre sí. Aunque no es necesario saberlo para Física C AP, debes comprender que los condensadores pueden disipar la energía eléctrica de un circuito o sistema.
Podemos comprender cómo se disipa la energía dentro de un condensador mediante un análisis cuidadoso de la ecuación anterior. Los condensadores no están pensados para disipar energía; su finalidad es almacenarla. Sin embargo, los condensadores y otros componentes de un circuito en nuestro universo no ideal no son perfectos. Por ejemplo, la ecuación anterior muestra que la carga perdida \(Q\) es igual a la tensión en el condensador al cuadrado \(V^2\) dividida por la reactancia \(X_\text{c}\). Por tanto, la reactancia, o tendencia de un circuito a oponerse a un cambio en la corriente, hace que parte de la tensión se drene del circuito, lo que da lugar a energía disipada, normalmente en forma de calor.
Puedes considerar la reactancia como la resistencia de un circuito. Observa que al sustituir el término de reactancia por el de resistencia se obtiene la ecuación
$$\text{Energía disipada} = \frac{V^2}{R}.$$
Esto equivale a la fórmula de la potencia
$$P=\frac{V^2}{R}.$$
La conexión anterior es esclarecedora porque la potencia es igual a la velocidad a la que cambia la energía con respecto al tiempo. Así, la energía disipada en un condensador se debe al cambio de energía en el condensador durante un intervalo de tiempo determinado.
Hagamos un cálculo sobre la disipación de energía con Sally en la diapositiva como ejemplo.
Sally acaba de cumplir 3 años. Le hace mucha ilusión tirarse por el tobogán del parque por primera vez. Pesa la friolera de 20,0 kg. El tobogán por el que se va a tirar tiene 7,0 metros de altura. Nerviosa pero emocionada, se desliza de cabeza gritando: "¡WEEEEEE!". Cuando llega al suelo, tiene una velocidad de \(10\,\mathrm{\frac{m}{s}). ¿Cuánta energía se ha disipado debido al rozamiento?
Fig. 5 - A medida que Sally baja por el tobogán, su energía potencial se transfiere a cinética. La fuerza de rozamiento del tobogán disipa parte de esa energía cinética del sistema.
Primero, calcula su energía potencial en la parte superior del tobogán con la ecuación
$$U=mg\Delta h,$$
con nuestra masa como
$$m=20.0\,\mathrm{kg}\mathrm{,}$$
la constante gravitatoria como
$$g=10.0\,\mathrm{\frac{m}{s^2}\\}\mathrm{,}$$
y nuestro cambio de altura como
$$$Delta h = 7,0$$.
Tras introducir todos estos valores, obtenemos,
$$mg\Delta h = 20,0,\mathrm{kg} \times 10.0\,\mathrm{\frac{m}{s^2}\\} \times 7.0\,\mathrm{m}\mathrm{,}$$
que tiene una energía potencial de
$$U=1400\,\mathrm{J}\mathrm{.}$$
Recuerda que la conservación de la energía establece que ésta no puede crearse ni destruirse. Por tanto, veamos si su energía potencial coincide con su energía cinética cuando termine el tobogán partiendo de la ecuación
$$KE=\frac{1}{2}\ mv^2,$$
donde nuestra velocidad es
$$v=10\ \mathrm{\frac{m}{s}\\}\mathrm{.}$$
Sustituyendo estos valores obtenemos
$$\frac{1}{2}\ mv^2=\frac{1}{2}\times 20,0\},\mathrm{kg}\times 10^2\m \times 10^2\mathrm{\frac{m^2}{s^2}\\}\mathrm{,}$$
que tiene una energía cinética de
$$KE=1000\,\mathrm{J}\mathrm{.}$$
La energía potencial inicial y la energía cinética final de Sally no son iguales. Según la ley de conservación de la energía, esto es imposible a menos que se transfiera o convierta algo de energía en otro lugar. Por tanto, debe haber alguna pérdida de energía debida a la fricción que genera Sally al deslizarse.
Esta diferencia entre las energías potencial y cinética será igual a la energía disipada por Sally debido al rozamiento:
$$U-KE=\mathrm{Energía Disipada}\mathrm{.}$$
Ésta no es una fórmula general para la energía disipada de un sistema; sólo es una que funciona en este escenario concreto.
Utilizando nuestra fórmula anterior, obtenemos
$$1400\,\mathrm{J}-1000\,\mathrm{J}=400\,\mathrm{J}\mathrm{,}$$
por tanto, nuestra energía disipada es
$$\mathrm{Energía Disipada} = 400,{\mathrm{J}\mathrm{,}$$
Conservación de la energía es el término utilizado para describir el fenómeno físico según el cual la energía no puede crearse ni destruirse.
Un sistema de un solo objeto sólo puede tener energía cinética. Un sistema en el que interactúan fuerzas conservativas puede tener energía cinética o potencial.
Laenergía mecánica es la energía basada en la posición o el movimiento de un sistema. Por tanto, es la energía cinética más la energía potencial: $$E_\text{mec}= KE + U\mathrm{.}$$
Cualquier cambio de un tipo de energía dentro de un sistema debe equilibrarse con un cambio equivalente de otros tipos de energías dentro del sistema o con una transferencia de energía entre el sistema y su entorno.
Ladisipación de energía es la energía transferida fuera de un sistema debido a una fuerza no conservativa. Esta energía puede considerarse desperdiciada porque no se almacena para que pueda ser de utilidad y es irrecuperable.
Un ejemplo típico de disipación de energía es la energía perdida por fricción. También se disipa energía en el interior de un condensador y debido a las fuerzas de amortiguación que actúan sobre osciladores armónicos simples.
La disipación de energía tiene las mismas unidades que todas las demás formas de energía: Julios.
La energía disipada se calcula hallando la diferencia entre las energías inicial y final de un sistema. Cualquier discrepancia entre esas energías debe ser energía disipada o no se cumplirá la ley de conservación de la energía.
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