Energia mecànica

La energia mecànica d'un cos o d'un sistema físic és la suma de la seua energia cinètica i l'energia potencial. Es tracta d'una magnitut escalar relacionada en el moviment dels cossos i en les forças d'orige mecànic, com són la força gravitatoria i la d'orige elàstic, el principal exponent del qual és la llei de Hooke. Abdós són forces conservativas. L'energia mecànica associada al moviment d'un cos és l'energia cinètica, que depén de la seua massa i de la seua velocitat. En canvi, l'energia mecànica d'orige potencial o energia potencial, té el seu orige en les forces conservativas, prové del treball realisat per estes i depén de la seua massa i de la seua posició. El principi de conservació de l'energia relaciona abdós energies i expressa que la suma d'abdós energies, l'energia potencial i l'energia cinètica d'un cos o un sistema físic, permaneix constant. Dita suma es coneix com l'energia mecànica del cos o del sistema físic.

No obstant, en els sistemes reals, les forces no conservativas, com les forces de fricció, estan presents i no es verifica la conservació de l'energia mecànica de manera rigorosa. No obstant, si la magnitut de les forces de fricció és despreciable con relación a les forces d'orige conservativo, l'energia mecànica del cos es modifica poc i la seua conservació s'aplica com a bona aproximació. Quan les matèries apreciables es multipliquen deu aplicar-se un principi de conservació d'energia més general, a on s'incloga el treball per les forces de fricció. En el càlcul de l'energia mecànica d'un sistema físic o en l'aplicació del principi de conservació de l'energia, és determinant conéixer el tipo de forces, conservativas o no conservativas, a les que està subjecte el sistema físic, aixina com l'entorn en el que s'apliquen.

Introducció

Els humans han sabut aprofitar l'energia mecànica des de temps molt primerencs i en molt diverses aplicacions, començant pels invents dels grecs en les poleas i engranages o en les màquines de guerra fenicias i romanes. En el cas de les catapultes romanes, el treball de compressió del braç de la catapulta permet almagasenar en la màquina una energia en forma d'energia potencial. La major part d'esta energia es transmet després al proyectil que ix disparat en una energia deguda al moviment, l'energia cinètica. Pero també partix de l'energia es transmet al moviment del braç de la palanca i al desplaçament de la fonda (abdós en forma d'energia cinètica) i l'atra part s'utilisa en la fricció de les cordes i en els engranages que es calfen.

Archiu:PendulumMecanicalEnergy.gif

Una péndola simple demostrant la conservació de l'energia mecànica entre l'energia potencial gravitacional i l'energia cinètica

L'energia és una magnitut escalar que representa una integral primera del moviment i com a tal, més fàcil d'utilisar que la pròpia força que actua sobre un mòvil. És un concepte que apareix en tots els camps de la física (mecànica, electromagnetisme, ones, etc.) i de la tecnologia, no obstant s'expressa de manera diferent en cada u d'ells segons la seua aplicació concreta. El concepte d'energia en la física està directament relacionat en atres dos magnituts físiques el treball i el calor que intercanvien energia en el sistema físic.

L'energia satisfà un principi de conservació important de modo que en qualsevol procés físic es conserva. Per això, el balanç d'energia abans de realisar un procés és el mateix que una volta finalisat este (Principi de conservació de l'energia en el seu sentit més general, incloent les forces de rozamiento).

L'energia mecànica té dos contribucions bàsiques, la relacionada en el moviment i en les forças d'orige mecànic. L'energia associada al moviment d'un cos és l'energia cinètica, que depén de la seua massa i de la seua velocitat.

Ademés de l'energia cinètica, l'atra manifestació de l'energia mecànica és l'energia potencial mecànica relacionada en la naturalea de les interaccions posades en joc en el procés físic que s'estiga desenrollant. En el cas concret de l'Energia Mecànica es tractarà de les forces gravitatorias o de les forces elàstiques. En abdós casos, l'energia potencial és funció de la massa del cos que intervé i del seu posició. Un eixemple bàsic d'energia potencial és la deguda al pes d'un cos de massa m prop de la superfície de la Terra.

La suma de les energies, cinètica i potencial d'un objecte en una posició determinada de l'espai i en un instant donat, és lo que es definix com l'energia mecànica de l'objecte material. En l'artícul es consideren estes nocions aixina com les diferents formes d'expressar l'energia segons la força present o l'aplicació que es realise, a decorreguts o sòlits. Un atre aspecte a considerar és la fricció entre els cossos que interactuen. En este cas intervé l'intercanvi d'energia en forma de calor, que afecta a la pròpia formulació del principi de la conservació de l'energia.

Ademés de l'energia, el treball o la calor, una atra magnitut bàsica és la potència mecànica para numeroses aplicacions pràctiques en la llar i en l'indústria, en les que intervinguen la producció i el consum d'energia. Per a utilisar i conéixer l'energia mecànica d'un cos, es necessiten conéixer les expressions de l'energia cinètica en els moviments de translació i de rotació aixina com l'energia potencial en el cas gravitatorio o l'energia potencial elàstica d'un resort. Es passa a considerar l'expressió senzilla de l'energia potencial gravitatoria en les proximitats de la superfície terrestre.

En tractar de l'energia mecànica, com s'ha explicat, cal tindre en conte el seu orige cinètic o potencial, el tipo de moviment implicat ya siga de rotació o translació i les principals forces que donen orige a eixa energia mecànica. L'estudi no estaria complet si no es considera el paper jugat per l'energia mecànica quan intervenen les forces de fricció i la pèrdua d'energia mecànica produïda per estes. Per un costat, en la generació de calor i per un atre, generant un canvi en l'estructura dels cossos que rocen. En tals circumstàncies, es torna a considerar l'aplicació del principi de conservació de l'energia. Per a això cal introduir la noció d'energia interna. Per a considerar millor estos processos s'introduïx la noció de forces conservativas i forces no conservativas.

Atres formulació físiques de l'energia mecànica i del principi de conservació de l'energia són, per un costat, l'aplicació als decorreguts en moviment (Equació de Bernouilli). Representa una atra forma del principi de conservació de l'energia. I per un atre, també s'inclou breument el paper que juga el concepte d'energia en la Termodinàmica aplicat a gasos. El primer principi de la termodinàmica relaciona la calor, el treball i la variació d'energia interna del sistema, entre sí. Este principi intervé com un cas pràctic d'aplicació del principi de conservació de l'energia. En el cas d'intervindre la calor i el treball, apareixen, ademés, llimitacions sobre l'aprofitament de la transformació de la calor en treball en màquines tèrmiques, lo que s'arreplega en el segon principi de la termodinàmica. Es tracta del Primer Principi de la Termodinàmica, que intervé com un cas pràctic d'aplicació del principi de conservació de l'energia. Per últim s'apliquen els conceptes de l'energia mecànica en els moviments oscilatoris quan no hi ha fricció (moviment harmònic simple ) i en casos més reals en fricció (moviments amortiguados).

Alguns dispositius transformen l'energia mecànica en un atre tipo d'energia. Els grans generadors elèctrics de les centrals productores, per eixemple, transformen l'energia mecànica en energia elèctrica. Els motors elèctrics o les turbines de vapor transformen l'energia elèctrica o el calor, respectivament, en energia mecànica. I no pot faltar la conversió de l'energia eòlica que generen els aerogeneradorés en energia mecànica de la hèliç i esta última en energia elèctrica.

Principi de conservació de l'energia

AP La conservació de l'energia és una llei que permet realisar un balanç de l'energia d'un sistema físic quan interacciona en el seu entorn abans i despuix de l'interacció. El balanç de l'energia del sistema en totes les seues manifestacions, d'orige elèctric, gravitatorio, químic, etc. no varia, permaneix constant. Si be pot convertir-se d'una forma d'energia en una atra. Constituïx una llei o principi de conservació que es complix en la naturalea i que impon restriccions en l'evolució dels sistemes físics de la mateixa manera que succeïx en atres principis de conservació de la física.

No obstant, l'energia mecànica per sí mateixa no sempre es conserva, ya que partix de l'energia mecànica pot ser transformada en una atra forma d'energia no mecànica. Per eixemple, si un bloc està caent per una rampa i hi ha rozamiento, l'energia mecànica inicial del bloc no serà igual a la final ya que partix d'eixa energia mecànica inicial s'haurà dissipat en forma de la calor en la rampa i en el propi bloc, pel rozamiento del bloc en la rampa. L'energia dissipada serà la diferència de l'energia mecànica inicial menys l'energia mecànica final del bloc. Si s'inclouen les forces no conservativas de fricció, el principi de conservació de l'energia expressa que la suma de l'energia mecànica disponible pel bloc abans del seu recorregut per la rampa, és igual a l'energia mecànica del bloc despuix del seu recorregut més l'energia que pert per la fricció. És dir, el principi de conservació de l'energia en el seu sentit més general, inclou tota l'energia disponible del sistema (el bloc), en un instant i una posició donats, inclosa l'energia intercanviada pel sistema a l'exterior o en atres cossos de l'entorn. L'energia té diferents formes de manifestar-se i cada una d'elles presenta una expressió matemàtica diferent. En primer lloc està l'energia mecànica en la seua expressió de moviment o energia cinètica o be d'orige potencial com l'energia gravitacional deguda a la força gravitatoria, o l'energia elàstica per les forces d'orige elàstic dels decorreguts i sòlits, passant per atres formes d'energia com l'energia elèctrica, energia química, energia radiant, energia nuclear, energia de massa, etc. A la seua volta l'energia pot transformar-se en calor o en treball i, viceversa, la calor i el treball poden aumentar o disminuir l'energia d'un sistema.

La noció d'energia presenta un gran interés en la pràctica per ser una integral primera del moviment per a forces conservativas i per satisfer el principi de conservació de l'energia en les seues diferents manifestacions, com es vorà a lo llarc de l'artícul. Per a això és necessari conéixer les formes d'energia cinètica i potencial, l'energia mecànica d'un objecte o l'energia interna d'un sistema aixina com l'energia intercanviada en el seu entorn. Si, per eixemple, es considera un mòvil que ascendix i descendix per una montanya sobre la superfície de la terra, el principi de conservació de l'energia expressa que qualsevol que siga la seua posició en la montanya, en absència de rozamiento, la suma de les energies cinètica $E_c=\frac{1}{2}m{v}^2$ deguda a la seua velocitat i potencial $E_p=mgH$ deguda a la seua altura $H$, es manté constant. Eixa constant és l'energia mecànica $E_{mec}=E_c+E_p$ del mòvil. Si es considera la posició més baixa de la montanya l'energia mecànica serà tota d'orige cinètic, $E_{mec}=E_{cmax}=constante$ i si es considera la posició més alta de la montanya a on l'energia potencial és màxima i la cinètica mínima (si aplega en velocitat nula) $E_{mec}=E_{pmax}=constante$. Qualsevol forma d'energia, en general es medix en juliol ($J$) en el Sistema Internacional d'Unitats.

Archiu:Montañarusa energia.gif

Justificació gràfica de la conservació de l'energia mecànica. En el punt més baix, l'energia mecànica de la bola és solament energia cinètica, no obstant, en el punt més alt, tota l'energia mecànica pansa a ser energia potencial.