6.6 - Ley de conservación de la energía

Hola y bienvenido al Proyecto Gustavo. Este es el Podcast Física 1.

Tema 6. Trabajo y energía.

Apartado 6. Ley de conservación de la energía.

El principio de conservación de la energía mecánica, que vimos en el apartado anterior, solo vale cuando todas las fuerzas que actúan son conservativas, y hay muchas fuerzas que no lo son, como el rozamiento, la viscosidad, las fuerzas que producen calor… pero incluso en esos casos podemos extender la conservación de la energía para incluir el trabajo de las fuerzas no conservativas. Lo que haremos es separar las fuerzas en dos bloques, fuerzas conservativas y no conservativas. Si tenemos dudas con alguna, la incluimos como no conservativas y así vamos a lo seguro.

Cada fuerza conlleva un trabajo, que también podemos dividirlo como trabajo conservativo y no conservativo. Vimos que el trabajo total es igual a la variación de la energía cinética, y también sabemos que el trabajo conservativo es igual a menos la variación de la energía potencial. Eso significa que la variación de la energía cinética es igual a menos la variación de la energía potencial más el trabajo no conservativo. O despejando sale esto, La variación de la energía mecánica es igual al trabajo hecho por las fuerzas no conservativas.

Fíjate que antes, cuando solo había fuerzas conservativas, teníamos energía mecánica constante, o lo que es lo mismo variación de energía mecánica igual a cero. Ahora esa variación no es cero, sino que viene dada por lo que hayan hecho esas fuerzas no conservativas. Lo habitual es que sean de tipo disipativo, la extraen del sistema en forma de calor o de cualquier otro tipo no mecánico.

El resultado es que la energía mecánica tiende a disminuir. Eso no quiere decir que la energía desaparezca. Seguro que recuerdas eso de la energía ni se crea ni se destruye, solamente se conserva. Eso es cierto, y también aquí se aplica. Lo que sucede es que la energía mecánica, la que suma energía potencial y cinética, no se conserva siempre. Parte de ella se transforma en energía no mecánica, de forma que no podemos cuantificarla claramente, pero no desaparece.

Esa energía perdida, para nosotros, calienta las moléculas de aire, rompe enlaces moleculares, hace subida, solo que para nosotros es como si no existieran.

Podemos volver a ver el caso del coche que frena. La variación en la energía mecánica es igual al trabajo no conservativo, y como la fuerza normal no hace trabajo porque es perpendicular al desplazamiento, solo tenemos que fijarnos en la fuerza de rozamiento. Hacemos variación de la energía mecánica igual al trabajo de la fuerza de rozamiento, y nos sale una relación entre velocidad y distancia igual a la que vimos en un apartado anterior. Ilustrámoslo con un ejemplo de película, Indiana Jones y el templo maldito. Los protagonistas se escapan en una vagoneta y cuando llega el momento de parar, el freno va y se rompe. Ya sabéis, truquitos del maestro Spielberg para darle más emoción a la cosa.

No hay problema, Indy presiona con su pie sobre la rueda y consigue frenarla.

Podemos hacer algunas estimaciones sobre la masa del sistema, su velocidad inicial y el tiempo de frenado, y a partir de ahí calculamos lo que necesitemos. Por ejemplo, la energía disipada en forma de calor durante el frenado, o la potencia aplicada por Indy para frenar, en este caso es de casi un caballo de vapor. No está nada mal para un profesor de arqueología.

En este caso no hay fuerzas conservativas, así que relacionamos el trabajo no conservativo con las variaciones en la energía cinética. Pero, si imaginamos que la vagoneta sube y baja en su recorrido, podemos aplicar el principio de conservación de la energía incluyendo las variaciones en la energía potencial. Esto de la conservación de la energía es un postulado que se ha aceptado de forma general, lo hemos visto en mil casos de todo tipo. Lo tenemos tan asumido que si en un sistema parece faltar energía, enseguida nos ponemos a buscarla.

No aceptamos que la energía aparezca o desaparezca mágicamente, no al menos mientras tengamos alternativas. Te pondré un ejemplo, década de 1930. Los físicos de partículas estudian un fenómeno llamado desintegración beta. En ella, un neutrón se desintegra para dar lugar a un protón y un electrón. Al medir las energías de las partículas, se notó que el protón y el electrón tenían menos energía que el neutrón original. No importaba cuántas veces se observase, siempre faltaba algo de energía.