Rincon Cientifico: Energía y Máquinas

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La energía se define como la capacidad de realizar trabajo, de producir movimiento, de generar cambio. Es inherente a todos los sistemas físicos, y la vida en todas sus formas, se basa en la conversión, uso, almacenamiento y transferencia de energía.

Puede presentarse como energía potencial (energía almacenada) o como energía cinética (energía en acción), siendo estas dos formas interconvertíbles, es decir, la energía potencial liberada se convierte en energía cinética, y ésta cuando se acumula se transforma en energía potencial. La energía no puede ser creada ni destruida, sólo transformada de una forma en otra (Primera Ley de la Termodinámica).

Según su origen puede ser:

Energía química: es la contenida en los compuestos químicos y que a través de distintos procesos, susceptible de ser liberada.

Energía nuclear: contenida en los núcleos atómicos y liberada a través de los procesos de fisión y fusión nuclear. Es también llamada energía atómica.

Energía eléctrica: es la que se manifiesta como resultado del flujo de electrones a lo largo de un conductor.

Energía mecánica: es la producida por la materia en movimiento.

Energía radiante: está contenida en los distintos tipos de radiación electromagnética.

Estas formas son interconvertibles, y son ejemplo de ello la conversión de:

Energía nuclear en energía eléctrica, producida en las centrales nucleares.

Energía química en energía mecánica, producida en motores de combustión.

Energía eléctrica en energía radiante (luz y calor), producida en las lámparas.

La vida, en todas sus formas, es completamente dependiente de la energía. En todos los procesos vitales está involucrada la energía. Los vegetales consumen energía solar (energía radiante) para poder, a través del proceso fotosintético, elaborar sustancias energéticas (hidratos de carbono) que les permiten disponer de la energía química necesaria para desarrollar sus funciones vitales. Los organismos animales se nutren energéticamente, en forma directa (herbívoros) o indirecta (carnívoros) de los vegetales es decir de la energía solar.

El ser humano ha desarrollado, a través de su historia, sistemas de vida en los que además de la

energía necesaria para su subsistencia biológica (alimento) consume energía para mantener y desarrollar sus sistemas culturales y satisfacer así necesidades extra alimentarias (vivienda, transporte, bienes y servicios,...). Para ello la humanidad ha recurrido al uso de distintas fuentes energéticas; en un principio fue el fuego, la energía solar, la energía animal, la energía eólica (viento), la hidráulica (agua)... y en el último siglo la energía de combustibles fósiles (petróleo, gas y carbón) y la nuclear.

Las otras dos fuentes, que en importancia le siguen, también poseen impactos ambientales, al menos, controvertidos: la energía hidroeléctrica en cuanto a la problemática de los grandes embalses y la energía nuclear en lo que respecta a la peligrosidad de accidentes (ej. accidente de Chernobyl, Ucrania), y al problema que representa el destino final de los residuos nucleares, que son altamente radiactivos y tóxicos y que aún no está resuelto.

Dadas estas características, la primera actitud individual y colectiva a adoptar, debería ser el consumo

racional, tanto de la energía (luz, combustibles,...) como de productos ya que su fabricación implica, también consumo energético.

Estos viejos modelos energéticos (combustibles fósiles) eran medianamente aptos cuando el “mundo

era más chico” (menor población mundial, menor consumo); el mundo de hoy necesita nuevas estrategias energéticas, energías más “limpias”, más eficientes y más diversas. Estas nuevas formas están incluidas en las llamadas energías alternativas:

Energía Solar: aprovechable en su forma térmica (calor) y fotovoltáica (electricidad).

Energía Eólica: aprovechable transformándola en energía eléctrica y /o mecánica.

Energía Geotérmica: aprovechable en forma térmica, eléctrica y mecánica.

Energía de Biomasa: generando adecuadamente “biogás”.

Energía de Mareas: aplicada a generadores eléctricos

Energía Hidráulica a partir de sistemas hidroeléctricos en pequeña y mediana escala excluyendo las grandes represas

Alternativas:

• Uso racional de la energía.

• Adoptar pautas de consumo biorracionales.

• Aprovechamiento de energías alternativas.

En física hay un tipo de energía muy importante, la energía mecánica, también conocida como energía motriz o del movimiento y es la energía que mueve todo: los coches, el viento, las olas o los planetas...

Pero este tipo de energía es la suma de otras dos: la energía potencial y la energía cinética, que son las que estudiaremos aquí.

Em = Ep + Ec

Al final veremos más sobre este tipo de energía y como se calcula.

¿Cómo Medimos la Energía?

La unidad en el sistema internacional es el Julio, en honor de James P.Joule.

Energía Cinética

Es la energía que poseen los cuerpos que están en movimiento. Un coche si está parado y lo ponemos en movimiento, quiere decir que ha adquirido una energía de algún sitio y que se ha transformado en movimiento. Esta energía que tiene ahora es una energía potencial o de movimiento.

Los cuerpo adquieren energía cinética al ser acelerados por acción de fuerzas, o lo que es lo mismo, cuando se realiza un trabajo sobre ellos.

Para calcular la energía cinética de un cuerpo (siempre estará en movimiento) será:

Ec=mv²/2

Donde "m" es la masa del cuerpo, objeto o sustancia expresada en Kilogramos y "v" su velocidad en metros/segundo. Si ponemos la masa y la velocidad en estas unidades el resultado nos dará la energía en Julios.

Ejercicio: Calcula la energía cinética de un coche de 860 kg que se mueve a 50 km/h.

Primero pasaremos los 50Km/h a m/s ===> 13,9m/s. Ahora es bien fácil, solo hay que aplicar la fórmula:

Ec = 1/2 860Kg x 13,92m/s = 83.000Julios

Energía Potencial

Se dice que un objeto tiene energía cuando está en movimiento, pero también puede tener energía potencial, que es la energía asociada con la posición del objeto.
A diferencia de la energía cinética, que era de un único tipo, existen 3 tipos de energía potencial: potencial gravitatoria, potencial elástica y potencias eléctrica.
Energía Potencial Gravitatoria

Es la que se poseen los objetos por estar situados a una cierta altura. Si colocas una ladrillo a 1 metro de altura y lo sueltas, el ladrillo caerá al suelo, esto quiere decir que al subirlo a 1 metros el ladrillo adquirió energía. Esta energía realmente es debido a que todos los cuerpos de la tierra estamos sometidos a la fuerza gravitatoria. Si lo colocamos a 2 metros el ladrillo habrá adquirido más energía que a 1 metro, es decir depende de la posición del ladrillo, por eso es energía potencial.

¿Cómo calculamos la energía potencial? Pues es muy sencillo, solo hay que aplicar la siguiente fórmula:

Ep=mhg

Donde "m" es la masa en Kilogramos, "g" el valor de la gravedad (9,8m/s² ) y "h" la altura a la que se encuentra expresada en metros. Con estas unidades el resultado nos dará en Julios.

Fíjate que si el cuerpo se encuentra en el suelo (superficie terrestre) h=0, su energía potencial gravitatoria será 0 Julios.

Un ejemplo más de este tipo de energía sería una catarata. El agua en la parte de arriba tiene la posibilidad de realizar trabajo al caer, por eso decimos que tiene energía, más concretamente energía potencial.

¿Qué pasa cuando el agua cae? Pues que va adquiriendo velocidad y perdiendo altura, es decir va adquiriendo energía cinética y perdiendo energía potencial. Justo cuando el agua llega a la parte de abajo toda la energía potencial que tenía se habrá transformado en energía cinética (velocidad) que podrá desarrollar un trabajo al golpear en las palas de la central hidráulica.

Como ves la energía cinética y la potencial gravitatoria, muchas veces, están relacionadas

MAQUINAS SIMPLES

Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables. En ellas se distinguen tres partes Potencia, Apoyo y Resistencia. La diferencia entre la potencia empleada o fuerza motriz y el valor de la resistencia que se desea vencer se denomina ventaja mecánica. En algunos tipos de máquinas simples, lo que se busca es una ventaja en comodidad, así por ejemplo al extraer agua de un pozo, si se utiliza una sola polea fija, la fuerza que debe aplicarse para vencer la resistencia tendrá el mismo valor que Q, sin embargo así se evitan accidentes y posibles fracturas. Ahora bien si se utilizan poleas fijas y móviles, la fuerza motriz tendría un menor valor de la Q que se quiere vencer

Las primeras máquinas eran sencillos sistemas que facilitaron a hombres y mujeres sus labores, hoy son conocidas como máquinas simples.

La rueda, la palanca, la polea simple, el tornillo, el plano inclinado, el polipasto, el torno y la cuña son algunas máquinas simples. La palanca y el plano inclinado son las más simples de todas ellas.

En general, las maquinas simples son usadas para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo, conveniente y seguro

Una palanca esta básicamente está constituida por una barra rígida, un punto de apoyo (“fulcro” ) y dos fuerzas (mínimo) presentes: una fuerza (o resistencia) a la que hay que vencer (normalmente es un peso a sostener o a levantar o a mover en general) y la fuerza motriz(o potencia) que se aplica para realizar la acción que se menciona. La distancia que hay entre el punto de apoyo y el lugar donde está aplicada cada fuerza, en la barra rígida, se denomina brazo . Así, a cada fuerza le corresponde un cierto brazo.

En una palanca podemos distinguir entonces los siguientes elementos:

El punto de apoyo o fulcro, Potencia y Resistencia

El brazo de potencia (Bp) : es la distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se aplica la potencia.

El brazo de resistencia (Br) : es la distancia entre el fulcro y el punto de la barra donde se encuentra la resistencia o carga.

Análisis matemático para determinar el valor los componentes de en las maquinas simples

P*Bp = Q*Bq

Potencia * Brazo de Potencia = Resistencia * Brazo de resistencia

Esto significa que al multiplicar el valor de la fuerza motriz o potencia por el valor del brazo de potencia, el resultado es igual al de multiplicar el valor de la resistencia por el valor del brazo de resistencia. Para encontrar cualquiera de esos valores, se identifica los respectivos datos o variables, se reemplaza en la formula, se despeja el dato de la incógnita, y finalmente se realizan operaciones; recuerde que lo que esta multiplicando pasa al otro lado de la ecuación a.... dividir. Veamos algunos ejemplo

Con una palanca de 3 metros de largo se desea mover una roca que tiene de masa 200 kg, que fuerza se debe aplicar si el apoyo se coloca a 50 cm de la resistencia Q.

DATOS: Q= 200 Kg Bq= 50 Cm P = ? Bp= 250 Cm (300 Cm - 50 Cm = 250 Cm)

Reemplazando en la formula se tiene P*250 Cm = 200 Kg * 50 Cm Despejamos P y hacemos operaciones P = 200 Kg * 50 Cm dividimos todo entre 250 Cm

Cm en numerador y en denominador se cancelan P = 10000 Kg/250 = 40 Kg

Para mover los 200Kg de masa que tiene la roca, se deben aplicar 40 Kg de fuerza motriz

Se desea levantar una carga de 150 Kg con una carreta que tiene 3 metros de largo, si la resistencia Q se coloca a 1 metro de la rueda de apoyo, que fuerza de debe aplicar.

Que fuerza se debe aplicar a la pinza para trozar una semilla, que opone una resistencia de 200 gm. La pinza tiene 18 cm de largo y se ejerce la fuerza a 3 cm del apoyo