jueves 18 de agosto de 2022

Ciencia y tecnología para todos

La conservación de la energía

Se presenta bajo numerosas apariencias y se manifiesta como un cambio en la altura o la velocidad, ondas electromagnéticas que se desplazan o vibraciones de los átomos que generan calor.

domingo 13 de marzo de 2022
La conservación de la energía

Por Néstor Vidal*

Todos estamos familiarizados con la energía como impulso básico. Si estamos cansados, es que nos falta; si saltamos de alegría, es que la poseemos en abundancia. Pero ¿qué es la energía? La energía que pone en marcha nuestro cuerpo procede de la combustión de sustancias químicas, del cambio de moléculas de un tipo a otro, siendo liberada energía en este proceso. Pero: ¿qué tipo de energía hace que un esquiador descienda a toda velocidad por una pendiente o que una bombilla se encienda? ¿Son realmente la misma cosa?

Al presentarse bajo tantas apariencias, la energía es difícil de definir. Incluso ahora, los físicos no saben qué es intrínsecamente, aunque son expertos describiendo sus efectos y la forma de manejarla. La energía es una propiedad de la materia y el espacio, una especie de combustible o impulso encapsulado con potencial para crear, mover o cambiar. Remontándonos a los griegos, los filósofos de la naturaleza tenían una vaga noción de la energía como fuerza o esencia que infundía vida a los objetos y esta idea ha permanecido a lo largo de los siglos.

INTERCAMBIO DE ENERGÍA

El primero en darse cuenta de que la energía se podía transformar fue Galileo. Cuando contemplaba un péndulo que oscilaba adelante y atrás, observó que la bola intercambia altura en su movimiento hacia delante y viceversa, y que después la velocidad hace que el péndulo vuelva hacia atrás de nuevo antes de caer y repetir el ciclo. La bola del péndulo carece de velocidad hacia los lados cuando está en uno de los picos o bien en plena oscilación, y alcanza la máxima velocidad cuando pasa por el punto más bajo. Galileo llegó a la conclusión de que en el péndulo oscilatorio existían dos formas de energía que se intercambiaban. Una es la energía potencial gravitatoria, que puede elevar un cuerpo por encima de la Tierra en oposición a la gravedad. Para elevar una masa hay que incrementar la energía gravitatoria, lo cual se libera cuando la masa cae. Si alguna vez han subido pedaleando en una bicicleta por una colina empinada, sabrán que cuesta una gran cantidad de energía combatir la gravedad. El otro tipo de energía del péndulo es la energía cinética: la energía del movimiento que acompaña a la velocidad. Así pues, el péndulo convierte la energía potencial gravitatoria en energía cinética y viceversa. Un ciclista inteligente utiliza exactamente el mismo mecanismo. Cuando baja por una colina empinada, puede adquirir velocidad y correr con gran rapidez hasta abajo incluso sin pedalear, y puede utilizar esa velocidad para subir una parte del trayecto de la colina siguiente.

FÓRMULAS DE LA ENERGÍA

La energía potencial gravitatoria (EP) se representa algebraicamente como PE=mgh, es decir, la masa (m) por la aceleración de la gravedad (g) por la altura (h). Esto equivale al producto de la fuerza (F=ma de la segunda ley de Newton) por la distancia. De modo que la fuerza es la energía transmitida. La energía cinética (EC) viene dada por EC=1⁄2mv2, de forma que la cantidad de energía aumenta en proporción con el cuadrado de la velocidad (v). Esto también se deduce de la fuerza media por la distancia recorrida.

LAS NUMEROSAS CARAS DE LA ENERGÍA

La energía se manifiesta de múltiples formas que se presentan temporalmente en diferentes tipos. Un muelle comprimido almacena en su interior energía elástica que se libera a voluntad. La energía térmica incrementa las vibraciones de los átomos y las moléculas en los materiales calientes. Así pues, una sartén metálica al fuego se calienta porque lo átomos de su interior se mueven con mayor rapidez por la entrada de la energía. La energía también puede transmitirse en forma de ondas eléctricas y magnéticas, como las ondas lumínicas o electromagnéticas, y la energía química almacenada puede liberarse mediante reacciones químicas, como sucede en nuestro propio sistema digestivo. Einstein reveló que la propia masa tiene una energía asociada que puede ser liberada si se destruye la materia. Por tanto, masa y energía son equivalentes. Ésta es su famosa ecuación E=mc2: la energía (E) liberada por la destrucción de una masa (m) es m veces la velocidad de la luz (c) al cuadrado. Esta energía es liberada en una explosión nuclear o en las reacciones de fusión que se producen en nuestro Sol. Como la energía aumenta en proporción con el cuadrado de la velocidad de la luz, que es muy elevada (la luz viaja a 300 millones de metros por segundo en el vacío), la cantidad de energía liberada al destruir, aunque sean unos pocos átomos es enorme. Hablamos de la energía que se genera, pero en realidad se transforma de un tipo en otro. Obtenemos energía química a partir del carbón o del gas natural, y la convertimos en calor que hace girar las turbinas y crea electricidad. En último término, la energía química del carbón y el gas natural proceden del Sol, así que la energía solar es la raíz de todo lo que funciona en la Tierra. Aunque nos preocupamos porque el suministro energético en la Tierra es limitado, la cantidad de energía que se puede obtener del Sol es más que suficiente para cubrir nuestras necesidades, siempre y cuando logremos aprovecharla.

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

La conservación de la energía como regla física es mucho más que reducir nuestro uso de energía doméstica; quiere decir que la cantidad total de energía no cambia, aunque sí puede variar entre diferentes tipos. Este concepto es de aparición relativamente reciente y surgió tras el estudio individual de numerosos tipos de energía. A principios del siglo XIX, Thomas Young introdujo el término energía; anteriormente, esta fuerza vital fue denominada vis viva por Gottfried Leibniz, quien elaboró originalmente las operaciones matemáticas del péndulo. Muy pronto resultó evidente que la energía cinética no era la única que se conservaba. Las balas de cañón o los reguladores iban perdiendo velocidad y no se movían eternamente. Pero los movimientos rápidos a menudo provocaban que las máquinas se calentaran debido a la fricción, como sucedía cuando se perforaba los tubos metálicos de los cañones, así que los investigadores que realizaban el experimento dedujeron que el calor era uno de los destinos de la energía liberada. Gradualmente, al explicar todos los tipos de energía en las máquinas existentes, los científicos comenzaron a pensar que la energía se transfiere de un tipo a otro y que no se crea ni se destruye.

MOMENTO

La idea de la conservación en física no se limita a la energía. Otros dos conceptos están estrechamente relacionados: la conservación del momento lineal y la conservación del momento angular. El momento lineal se define como el producto de la masa por la velocidad y describe la dificultad de reducir la velocidad de un cuerpo en movimiento. Un objeto pesado que se mueve velozmente tiene un momento elevado y es difícil de desviar o detener. Por lo tanto, un camión que se desplaza a 60 kilómetros por hora tiene un momento mayor que un coche que se mueve a la misma velocidad, y le provocaría un daño mayor si chocara con él. El momento no sólo tiene una magnitud, sino que, debido a la velocidad, también actúa en una dirección específica. Los objetos que colisionan intercambian el momento de tal modo que el valor global se conserva, tanto en cantidad como en dirección. Si alguna vez ha jugado al billar habrá utilizado esta ley. Cuando dos bolas chocan, transfieren movimiento una a otra para conservar el momento. Así que si golpea una bola en reposo con otra que se mueve, la trayectoria final de ambas será la combinación de la velocidad y la dirección de la bola en movimiento inicial. La velocidad y la dirección de ambas se puede calcular suponiendo que el momento se conserva en todas direcciones. La conservación del momento angular es similar. El momento angular, para un objeto que gira alrededor de un punto, se define como el producto del momento lineal del objeto por la distancia a la que se encuentra del punto de rotación. La conservación del momento angular se utiliza para conseguir los efectos en las actuaciones de patinaje sobre hielo. Cuando estiran brazos y piernas los patinadores giran lentamente, pero simplemente encogiendo los miembros hacia el cuerpo pueden girar más rápido. La razón de esto es que las dimensiones más pequeñas requieren una velocidad de rotación mayor para compensar. Intente hacerlo en una silla de oficina, también funciona. La conservación de la energía y el momento son principios que han encontrado un sitio incluso en campos contemporáneos tales como la relatividad general y la mecánica cuántica.

EN SÍNTESIS: La Energía es Indestructible.

 

*ANALISTA DEL CENTRO DE INVESTIGACIÓN FORENSE, CIENCIA Y NUEVAS TECNOLOGÍAS

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