UNIDAD 6. Energía y trabajo
Energía… ¡menudo trabajo!
“Hay una fuerza motriz más poderosa que el vapor, la electricidad y la energía atómica: la voluntad”
Albert Einstein
6.1. Conceptos previos
- Velocidad.
- Fuerzas y sus efectos.
6.2. Objetivos
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de energía y sus propiedades.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de energía mecánica, energía cinética y energía potencial.
- Que el/la alumno/a conozca las unidades de la energía en el Sistema Internacional.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de trabajo realizado por una fuerza.
- Que el/la alumno/a comprenda el principio de conservación de la energía.
- Que el/la alumno/a conozca el concepto de potencia.
- Que el/la alumno/a conozca las unidades de la potencia en el Sistema Internacional.
6.3. Criterios de Evaluación
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Tema I. Energía
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1. Puedo explicar el concepto de energía.
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2. Puedo explicar el concepto de sistema.
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3. Puedo relacionar el concepto de energía cinética con el concepto de masa y el de velocidad.
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4. Puedo explicar el concepto de energía potencial gravitatoria.
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5. Puedo relacionar el concepto de energía potencial gravitatoria con el concepto de masa y el de altura.
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6. Puedo definir el concepto de energía cinética.
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7. Puedo relacionar el concepto de energía cinética y energía potencial gravitatoria con el concepto de energía mecánica.
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8. Puedo definir el concepto de energía mecánica.
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Tema II. Trabajo
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1. Puedo explicar el concepto de transferencia de energía.
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2. Puedo explicar el concepto de trabajo.
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3. Conozco la unidad de medida del trabajo en el SIU (julio).
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4. Puedo explicar el principio de conservación de la energía mecánica.
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5. Puedo explicar el concepto de potencia.
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6.4. Materiales
Imágenes que sugieran sistemas que almacenan energía, transfieren o transforman, cerillas, vela, encendedor, pila, bombilla, pelota, maletín, carpeta, bolígrafo.
6.5. Explicación
Energía… ¡menudo trabajo!
Vamos a observar las siguientes situaciones:
El viento hace mover las aspas del aerogenerador:
Al conectar la bombilla a la pila, luce:
Al abrir la compuerta, el agua cae:
Al acercar la cerilla a la vela encendida, comienza a arder:
El Sol hace posible el crecimiento de las plantas:
Vamos a definir la energía como una cantidad que representa la capacidad de los cuerpos y de los sistemas (sistema: se refiere a una parte del universo en la que nos fijamos o que aislamos para su estudio) para experimentar y producir cambios.
Entonces diremos que el viento posee energía, ya que es capaz de hacer girar las aspas del aerogenerador.
La pila posee energía, ya que al conectarle la bombilla, la hace lucir.
El agua, que está en la presa, posee energía; al abrir la compuerta cae (y sería capaz de mover una turbina).
La vela encendida, el Sol… también poseen energía.
Estos ejemplos nos sirven para darnos cuenta de que:
- Parece que hay muchos tipos de energía, o quizá que esta pueda encontrarse en muchas formas: energía mecánica, energía química, energía calorífica, energía lumínica…
- La energía se transporta y se transfiere de unos sistemas a
- Los cuerpos, los sistemas, almacenan energía y la pueden ceder a otros cuerpos o sistemas cuando se den las circunstancias
- Y, aunque no se deduzca de los ejemplos anteriores, hay una propiedad muy importante de la energía y es que no se crea ni se destruye, sino que se transforma. Es decir, ni aparece ni desaparece, lo que sí podrá ocurrir es que se transforme en otro tipo de energía.
Energía mecánica
Vamos a centrarnos en dos de todas las formas en que puede manifestarse la energía.
Hemos visto que el aire en movimiento posee energía, comprendemos que un coche, una pelota, cualquier cuerpo en movimiento posee energía. Esta energía se llama energía cinética.
Y comprendemos que, si lanzamos una pelota contra una ventana, los “cambios provocados” serán mayores si la lanzo a mayor velocidad o si la pelota tiene más masa. Por lo tanto, decimos que la cantidad de energía cinética de un cuerpo depende de su masa y de su velocidad.
Por otro lado, hemos comentado también que el agua del pantano posee energía. Aunque el agua está en reposo, en cuanto abren las compuertas, esta energía almacenada se pone de manifiesto a medida que el agua va cayendo.
Esto puede hacernos pensar que los cuerpos o sistemas también poseen energía según sea su posición, o su altura en este caso. Esta energía se denomina energía potencial gravitatoria. Y comprendemos que, cuanto mayor sea la altura desde la que se suelta el agua o mayor sea la cantidad de agua que se suelta, los “cambios provocados” serán mayores. Por lo tanto, decimos que la cantidad de energía potencial, para un cuerpo cualquiera, depende de su masa y de la altura a la que se encuentra.
Pues bien, a la suma de estas dos cantidades, energía cinética y energía potencial gravitatoria, se llama energía mecánica.
Pero… ¿qué sentido tiene sumar estas dos cantidades de energía?
Vamos por partes…
¡Menudo trabajo!
Me imagino que todos los lectores son amantes del béisbol…
Cuando lanzamos la pelota, echamos el brazo hacia atrás. Sabemos que cuanto mayor sea el recorrido del brazo, mayor será la velocidad con que saldrá la pelota. Incluso nos ayudamos del giro de nuestro cuerpo para que este recorrido sea aún mayor.
Es este un ejemplo de transferencia de energía. Al aplicar el jugador de béisbol una fuerza a la pelota a lo largo de un recorrido, se produce una transferencia de energía desde el sistema muscular del jugador a la pelota. Si el jugador aplica la misma fuerza, ¿por qué la velocidad con la que sale la pelota depende de la amplitud del recorrido realizado por el brazo?
Ya hemos dicho antes, que a mayor velocidad de un cuerpo, mayor es su energía cinética. Y por eso podemos decir que quien habla de velocidad, habla de energía cinética.
Por lo tanto, la energía que soy capaz de comunicar a un cuerpo, no solo depende de la intensidad de la fuerza que le aplico, sino la longitud del recorrido a lo largo del cual aplico la fuerza.
Llegados a este punto nos interesa definir una nueva magnitud que nos dé información acerca de cuál es la cantidad de energía que se transfiere a un cuerpo mediante la aplicación de una fuerza. Esta nueva cantidad es lo que se llama trabajo.
Esta cantidad, el trabajo, es directamente proporcional a la fuerza aplicada, ya que, a mayor intensidad de fuerza, mayor cantidad de energía somos capaces de transferir a un cuerpo. Y también depende del recorrido, del desplazamiento que realiza el cuerpo mientras estamos realizando esa fuerza. Cuanto mayor sea el recorrido a lo largo del cual actúa la fuerza, mayor es la energía que suministramos al cuerpo.
Esta definición de trabajo me permite además definir la unidad de energía en el Sistema Internacional de Unidades, el julio (J), como la energía suministrada a un cuerpo por una fuerza de un newton que actúa sobre él a lo largo de un desplazamiento de un metro.
Además podemos deducir que el trabajo realizado sobre un cuerpo modifica su energía mecánica. El trabajo es un mecanismo de transferencia de energía entre dos cuerpos o dos sistemas.
Pero la realización de un trabajo sobre un cuerpo no siempre aumenta su energía, también la puede disminuir. Pensemos en un vehículo que está en movimiento. Al frenar, los frenos realizan una fuerza en sentido contrario al desplazamiento, que disminuye la velocidad y por tanto su energía cinética. Por contra, una fuerza en el mismo sentido del desplazamiento (por ejemplo la que ejerce el motor) aumentaría la energía cinética del vehículo.
El trabajo realizado por las fuerzas de rozamiento o por la fuerza del motor, modifica la energía del coche.
Los ejemplos anteriores mostraban la modificación de la cantidad de energía cinética mediante la realización de un trabajo. Pero la energía cinética no es la única energía que se puede modificar mediante trabajo.
Recordemos que el peso es una fuerza. Cuando soltamos un cuerpo, el peso es la fuerza responsable de que este caiga; y al caer este cuerpo, disminuye su energía potencial. Por lo tanto, el trabajo realizado por la fuerza “peso” se manifiesta como una disminución de su energía potencial.
Imaginemos que una grúa elevadora sube 100 kilogramos de ladrillos desde el suelo hasta la azotea. Pensando en la situación inicial (los ladrillos en el suelo), y la situación final (los ladrillos en la azotea), observamos que éstos han aumentado su energía potencial gravitatoria.
Los ladrillos tienen distinta energía potencial cuando están en el suelo y cuando están en la azotea del edificio. ¿Qué ha provocado este aumento de energía?
Hemos hablado entonces de que, una fuerza que lleva el sentido del desplazamiento aumenta la energía mecánica del objeto sobre el que actúa; y si la fuerza aplicada tiene sentido contrario al desplazamiento del objeto, el trabajo que realiza se invierte en disminuir la energía mecánica de ese cuerpo.
Pero... ¿qué efecto produce la aplicación de una fuerza perpendicular al desplazamiento? Esta situación no implica ninguna transferencia de energía. Por ejemplo, si estoy paseando con una maleta, por mucho que canse el hecho de transportarla, la fuerza que realizamos sobre ella (para contrarrestar el peso de la misma) es perpendicular al desplazamiento, y lo que observamos es que la maleta no modifica su energía.
El hecho de llevar sombrero no cansa, pero en cualquier caso, la fuerza que ejerce nuestra cabeza para sujetarlo (para contrarrestar el efecto del peso), no modifica su energía mientras estoy andando. Sí hay una variación de la energía del sombrero, cuando comenzamos a andar o cuando paramos, pero en estos casos es una fuerza horizontal la que actúa, modificando la energía cinética de este.
¿Qué trabajo realizo al pasear con una maleta?
Principio de conservación de la energía mecánica
Podríamos enunciar este principio diciendo que, en un cuerpo sobre el que no actúan fuerzas, o sobre el que estas fuerzas no realizan trabajo (exceptuando el peso, cuyo “efecto” está incorporado a la variación de energía potencial), la energía mecánica permanece constante.
Que la energía mecánica sea constante no implica que las energías cinética y potencial no varíen. Puede ocurrir que varíe la energía cinética y la potencial, siempre que la suma de las dos cantidades se mantenga constante. El aumento de una implica la disminución de la otra.
La energía cinética y potencial del tren se está modificando continuamente.
Y este es precisamente el interés de la cantidad que hemos llamado energía mecánica. Si consideramos un objeto que se mueve a lo largo de una determinada trayectoria y cuya energía mecánica es conocida y no varía, se puede utilizar el principio de conservación de la energía mecánica para predecir los valores que tendrá cada una de las energías, cinética y potencial, en cada punto de la trayectoria. La suma de las dos es siempre igual al valor conocido de la energía mecánica.
Si suponemos que la energía mecánica se conserva, en el ejemplo del dibujo, el esquiador llegará al final de la pista con la misma energía mecánica con la que salió; simplemente al inicio de su trayectoria la energía mecánica que tenía estaba en forma de energía potencial, y al final, la tiene en forma de energía cinética.
Independiente de lo que disfrute el esquiador, llegará al final de la pista con la misma cantidad de energía que con la que salió, sólo que estará en forma de energía cinética.
Al lanzar un objeto hacia arriba, toda la energía que al inicio estaba en forma de energía cinética (que por cierto se la he suministrado yo a través de la realización de un trabajo), se habrá transformado a energía potencial en el punto más alto de su trayectoria. En el trayecto de retorno, cuando cae, se producirá el proceso inverso.
Necesito energía… ¡rápido!
En ocasiones, no obtengo suficiente información con saber la cantidad de energía transferida.
Si me dicen que un vehículo determinado pasa de 0 a 100 kilómetros por hora, pensaría que eso no me aporta ninguna información o que falta algún dato para conocer las características del vehículo. Pero claro, quizá no hablarían del mismo vehículo si me dicen que esa transferencia de energía se produce en 10 segundos que si se produce en 20 segundos; es decir, me suena a que un vehículo es “mejor” si es capaz de pasar de 0 a 100 kilómetros por hora en 10 segundos, que si necesita 20 segundos para adquirir esa velocidad.
O si nos dicen que una grúa eleva 200 ladrillos hasta la azotea, pensaremos que no es lo mismo que tenga capacidad para desarrollar ese trabajo en un minuto que en una hora.
La magnitud que nos da información sobre la rapidez con la que se produce un determinado intercambio energético es la potencia.
Si la transferencia de energía se produce a un ritmo de un julio cada segundo, se dice que la potencia desarrollada es de un vatio (W).
6.6. Actividades de generalización
Los alumnos prepararán una presentación (utilizando como herramientas PowerPoint o Prezzi, por ejemplo) en la que plasmarán las ideas principales expuestas buscando imágenes en Internet o creando sus propias imágenes. Cada alumno expondrá al resto del grupo su presentación. Los demás alumnos aportarán sugerencias y rectificarán posibles errores con ayuda del profesor.
Durante la exposición, los alumnos utilizarán sus propios ejemplos y modelos para representar las interacciones.
