LA ENERGÍA MECÁNICA - SEGUNDA PARTE

En el anterior artículo “la energía mecánica (parte 1)” Dimos los conceptos básicos para poder entender el siguiente tema:

LAS FUERZAS CONSERVATIVAS Y LAS NO CONSERVATIVAS

Hay muchas maneras para caracterizar los distintos tipos de fuerzas que aparecen en la naturaleza ya vimos que hay fuerzas de contacto y fuerzas de acción a distancia. Si una fuerza es de acción a distancia, significa que, por su única acción, un cuerpo puede acelerarse aunque no se lo esté tocando físicamente. La fuerza de gravedad, la eléctrica y la magnética son los ejemplo clásicos de fuerzas que existen entre dos objetos aunque no estén físicamente en contacto. Sin embargo, las fuerzas también se pueden categorizar de otro modo, basadas en el hecho de si su trabajo cambia o no la energía mecánica total del objeto.

Vamos a ver que hay cierto tipo de fuerzas que cuando están presentes y realizan algún tipo de trabajo, cambian la energía mecánica del sistema. Y hay otras que nunca cambian de energía mecánica del sistema, sino que más bien convierten una energía (potencial, digamos) en otra (cinética), o viceversa. Estas dos categorías de fuerzas son las fuerzas no conservatorias y las fuerzas conservatorias, respectivamente.

Hay muchas maneras de distinguirlas; digamos simplemente que las fuerzas conservativas son aquellas fuerzas cuyo trabajo realizado no depende del camino, o, dicho de otra forma, aquellas fuerzas cuyo trabajo total en un camino cerrado es cero. La fuerza de atracción gravitatoria es una de ellas. Pruébenlo. También lo son la fuerza del resorte, la eléctrica y la magnética.

A continuación, tienen una tabla ayuda memoria. Lo interesante es que las fuerzas conservativas actúan de manera que la energía mecánica se conserva. Es decir que, en la presencia de estas fuerzas, la energía mecánica es una constante de movimiento no varía en el tiempo.

Cuando actúa una fuerza no conservativa que produce un trabajo sobre el sistema a estudiar, la energía mecánica del sistema ha cambiado: ganó o perdió energía. La ganancia o la pérdida de energía pueden ser en la forma de potencial o cinética, de ambas o de cualquier otro de tipo de energía. El trabajo hecho por una fuerza NO conservativa es siempre igual a la variación de energía mecánica del sistema.

Cuando actúan fuerzas no conservatorias, el trabajo de las fuerzas puede producir una ganancia o una pérdida de la energía mecánica total del sistema, que en términos de trabajo se observa como un “trabajo +” o un “trabajo –“, esto es, si la fuerza está aplicada en la dirección del movimiento o en el sentido opuesto al movimiento

Vamos a dejarle un buen ejercicio para que puedan realizar en sus casas: Las siguientes descripciones involucran fuerzas no conservativas (de fricción, aplicada, normal y de tensión). Indiquen si el trabajo de estas fuerzas hace que ganen o pierdan energía. Entonces determinen si la ganancia o la pérdida de energía resultan de un cambio de la energía cinética del objeto, en la potencial o en ambas.

Noten lo siguiente: en las situaciones de arriba, una fuerza horizontal no puede producir un movimiento vertical, es decir que nunca puede cambiar la energía potencial de un objeto. La única manera de que una fuerza no conservativa pueda provocar un cambio en la energía potencial es si la fuerza tiene componente vertical. La energía potencial gravitatoria cambia únicamente con cambios de altura y esto solo se produce con desplazamientos verticales que puedan provocar cambios de altura.

La relación cuantitativa y formal que expresa el teorema de trabajo y energía es:

Podemos hacer algunas pocas consideraciones más acerca de esta ecuación. Primero, la relación de energía mecánica se refiere tanto a la energía cinética como a Ia energía potencial (si es potencial solamente debido a la fuerza gravitatoria o elástica). Segundo, el trabajo de las fuerzas no conservativas puede ser positivo o negativo (eso depende del ángulo entre la fuerza y el desplazamiento), lo que producirá aumento o disminución de la energía.

El teorema de trabajo y energía puede ser combinado con la expresión de la energía cinética y la potencial para resolver problemas complejos. Como todo problema complejo, puede ser transformado en simple si primero lo analizamos desde un punto de vista conceptual y lo separamos en partes. En otras palabras, eviten tratar los problemas que involucran trabajo y energía como meros problemas matemáticos. Más bien, masajeen sus neuronas y traten de entender conceptualmente la física para poder aproximarse al problema. Pregúntense: ¿Qué formas de energía están presentes en el instante inicial y en el final? Basados en las ecuaciones, ¿Qué cantidad de energía corresponde al estado inicial y al final? ¿Hay trabajo realizado por las fuerzas no conservativas?

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