SALA 8 - ENERGIA POTENCIAL Y OTRAS ENERGIAS v4.3
“De ahora en adelante voy dejar de usar las leyes de Newton y siempre voy a usar conservación de energía, que es más fácil”. Para poder usar conservación de energía mecánica, debes asegurarte primero que durante el proceso los únicos trabajos que existan sean hechos por fuerzas conservativas internas al sistema. El método de energía no usa vectores, de tal manera que solamente puede proveer respuestas para las magnitudes, pero no para las direcciones de vectores, por ejemplo, rapidez, pero no velocidad. Energía tampoco involucra tiempos, de tal manera que tampoco puede dar respuestas que requieran tiempos. Energía tampoco involucra vectores fuerzas y tampoco pueda dar fuerzas.
"Puesto que la fuerza de fricción cinética es constante, debiera ser una fuerza conservativa". Si la magnitud de la normal es constante y el desplazamiento es en línea recta, la fricción es constante en dirección y magnitud para este proceso. Si la magnitud de la normal es constante la fricción tiene magnitud constante, pero en general su dirección cambia con la trayectoria y por esto su trabajo no es independiente del camino. La fricción cinética NO es una fuerza conservativa, sino una fuerza que siempre disipa energía mecánica.
“La única fuerza disipativa que estudiamos es la fricción cinética, así que siempre que en el problema no haya fricción cinética, tengo conservación de energía mecánica”. No necesariamente. Puede ser que haya una fuerza tal como una tensión producida por un agente externo al sistema que aumente o disminuya la energía mecánica del sistema. También puede ser que haya colisiones que produzcan deformaciones permanentes que disminuyan la energía mecánica, o que exista la liberación de energía química que aumente la energía mecánica, etc.
“Una tensión constante producida por una cuerda sobre un bloque que se desliza en línea recta sobre una mesa es una fuerza conservativa”. No es una fuerza conservativa porque el trabajo entre dos puntos cualesquiera en la mesa no es independiente del camino. No existe una energía potencial asociada a esta fuerza. Si una persona hala la cuerda tensionada, esta persona es un agente externo que está cambiando la energía mecánica del sistema. Si la tensión es una fuerza interna del sistema, no cambia la energía mecánica total del sistema. Aunque en ciertos casos una fuerza no cambia la energía mecánica de un sistema, esto no significa que esta fuerza sea de tipo conservativo en general.
"La energía potencial gravitacional de una masa cerca de la superficie de la tierra es mgh". La energía potencial gravitacional del sistema masa + tierra relativa al origen y=0 es mgy, de tal manera que puede ser negativa. h es una distancia y siempre es positiva. No existe energía potencial de un solo cuerpo, sino de un sistema compuesto por al menos dos cuerpos que sienten la fuerza con cual se relaciona la energía potencial. Todas las fuerzas conservativas tienen asociadas energías potenciales que son funciones de la posición relativa entre los cuerpos que interactúan a través de la fuerza.
“Para calcular la energía potencial gravitacional cuando tengo dos cuerpos puedo usar un nivel de referencia diferente para cada cuerpo”. No. Una vez escoges el nivel de referencia, debes conservarlo todo el tiempo y aplicarlo igual para todos los cuerpos.
“Mientras que las energías potenciales son relativas a puntos de referencia, la energía cinética es un tipo de energía absoluta”. No, porque no conocemos marcos inerciales de referencia en reposo absoluto.
"La energía mecánica nunca puede conservarse porque la energía cinética cambia si se cambia el marco de referencia a otro en movimiento". La energía mecánica de un sistema siempre se conserva en un proceso que es estudiado desde un marco inercial de referencia UNICO y cuando solamente hacen trabajo fuerzas conservativas internas al sistema. No puedes cambiar de marco en medio del proceso.
“La energía mecánica de un bloque y un resorte estirado es igual a la suma de su energía potencial elástica, la energía cinética del bloque, y el trabajo que estiró el resorte”. El trabajo tiene unidades de energía, pero no es un tipo de energía y no se puede decir que un sistema “tenga un trabajo”. El trabajo solamente existe durante un PROCESO que lleva al sistema entre dos estados de energía. Si el trabajo fue hecho por fuerzas conservativas, la energía mecánica no cambia, pero sí cambian las proporciones de cinética y potencial.
“Tengo dos bloques en movimiento conectados por una cuerda tensionada: un bloque sobre un plano inclinado sin fricción y el otro bloque colgando de una polea. Es claro que la tensión de la cuerda está haciendo un trabajo. En esta situación no se puede decir que haya conservación de la energía mecánica”. El trabajo de la tensión sobre un bloque es igual pero de signo opuesto al hecho sobre el otro bloque. Si se analiza el sistema compuesto por los dos bloques, esa tensión es una fuerza interna del sistema que no se considera. La situación es análoga a no considerar las fuerzas internas en cada bloque, las que existen entre sus moléculas. En esta situación hay conservación de la energía mecánica.
“Las fuerzas disipativas siempre hacen trabajos negativos y las fuerzas conservativas siempre hacen trabajos positivos”. Se puede decir que las fuerzas disipativas siempre disminuyen la energía mecánica mientras que las fuerzas conservativas nunca pueden cambiar la energía mecánica total. El signo del trabajo que la fuerza hace depende de cada situación y del marco de referencia usado. En un proceso, el trabajo total hecho por la suma de las fuerzas disipativas siempre es negativo.
"Una fuerza variable no puede ser conservativa". No necesariamente. Ejemplos: la fuerza de un resorte y la fuerza gravitacional de tipo general son variables y son conservativas. En una dimensión, las fuerzas son conservativas si son fuerzas constantes (como la gravedad cerca de la superficie) o dependen linealmente de la posición (como un resorte que cumple la ley de Hooke). En el espacio, las fuerzas centrales (como la gravedad o la eléctrica) son conservativas. (En general, una fuerza es conservativa si su “rotor” es cero en todo punto: ∇×Fà = 0). Para cada fuerza conservativa se asocia una energía potencial.
“Igual que para la gravedad, tenemos una energía potencial elástica para resortes, así que los resortes nunca disipan la energía mecánica”. Es correcto para resortes ideales, o sea, a los cuales se les desprecia su masa y su estructura interna, y que cumplen la ley de Hooke. En la vida real, todos los resortes disipan alguna energía mecánica. En el fondo, energías potenciales fundamentales están asociadas con fuerzas fundamentales, tal como es el caso de la gravedad.
“Si todas las fuerzas fundamentales son conservativas no pueden existir fuerzas disipativas”. Existen fuerzas disipativas de la energía mecánica de un sistema. La energía mecánica no desaparece, sino que se transforman en otros tipos de energía. La energía total siempre se conserva.
"Una llanta de carro se calienta cuando gira sin resbalar aunque no tenga fricción en el eje. Esto demuestra que la fricción estática con el piso sí disipa energía mecánica". Si no hay desplazamiento no hay trabajo, y en este caso no hay un desplazamiento RELATIVO a las superficies en contacto, así que la fricción estática no disipa la energía mecánica. Lo que sucede es que la llanta es elástica y esto explica la disipación de energía mecánica y el calentamiento.
“Un carro sube cuesta arriba y gana energía potencial gravitacional. La fuerza normal no hace trabajo, la fricción estática no hace trabajo. La gravedad hace un trabajo negativo. El carro viola las leyes de energía y trabajo!” La energía que gana el carro viene de la transformación de energía interna no mecánica en energía mecánica. La energía interna es la energía química que se libera por la combustión de la gasolina.
“Debido a la fricción cinética la energía mecánica se transforma en energía de calor”. Calor es análogo a trabajo, que únicamente existe durante un proceso. Es mejor decir que la energía mecánica se transforma en energía térmica, una forma de energía interna.
“Puesto que la energía térmica se origina en el movimiento de partículas, debe tomarse como parte de la energía mecánica del sistema”. La energía térmica es un movimiento aleatorio y desordenado de partículas microscópicas. Las únicas energías mecánicas son las energías cinéticas y las energías potenciales medidas a cuerpos macroscópicos y visibles. Los otros tipos de energía no se toman como energía mecánica, e incluyen energías “internas” o “invisibles” tales como térmica, química, nuclear, de ondas, de radiación, etc.