Energía potencial y conservación de la energía

Presentación del tema: "Energía potencial y conservación de la energía"— Transcripción de la presentación:

1 Energía potencial y conservación de la energía
Capítulo 7 Energía potencial y conservación de la energía

2 Reflexione Mientras un pato planea para descender, lo hace en línea recta con rapidez constante. Durante el descenso, ¿la energía mecánica del pato aumenta, disminuye o es constante? Si aumenta, ¿de dónde proviene la energía adicional? Si disminuye, ¿a dónde va la energía que se pierde? Responda lo anterior y, al final del capítulo, regrese a esta sección para reafirmar o corregir su punto de vista.

3 A continuación… Cómo utilizar el concepto de energía potencial gravitacional en problemas que implican movimiento vertical. Cómo utilizar el concepto de energía potencial elástica en problemas que implican un cuerpo en movimiento sujeto a un resorte estirado o comprimido. La diferencia entre fuerzas conservativas y no conservativas, y cómo resolver problemas donde ambos tipos de fuerzas actúan sobre un cuerpo en movimiento.

4 A continuación… Cómo determinar las propiedades de una fuerza conservativa conociendo la función de energía potencial correspondiente. Cómo emplear diagramas de energía para entender el movimiento rectilíneo de un objeto, bajo la influencia de una fuerza conservativa.

5 7.1 Energía potencial gravitacional
Parece razonable que, al levantar una roca en el aire, se almacene energía en el sistema, la cual, al dejar caer la roca, se convertirá en energía cinética. Este ejemplo sugiere la idea de una energía asociada con la posición de los cuerpos en un sistema. Este tipo de energía es una medida del potencial de efectuar trabajo.

6 7.1 Energía potencial gravitacional
Al levantar una roca, existe la posibilidad de que la fuerza de gravitación realice trabajo sobre esta, pero solo si la roca se deja caer al suelo. Por esta razón, la energía asociada con la posición se llama energía potencial. Nuestro análisis sugiere que hay energía potencial asociada con el peso de un cuerpo y con su altura sobre el suelo: la energía potencial gravitacional.

7 7.1 Energía potencial gravitacional

8 7.1 Energía potencial gravitacional
Podemos expresar Wgrav en términos de los valores de la cantidad mgy al principio y al final del desplazamiento. Esta cantidad, el producto del peso mg y la altura y sobre el origen de las coordenadas, es la energía potencial gravitacional, Ugrav.

9 7.1 Energía potencial gravitacional

10 7.1 Energía potencial gravitacional
Conservación de la energía mecánica (solo fuerzas gravitacionales) La suma K + Ugrav de las energías cinética y potencial se llama E, la energía mecánica total del sistema.

11 7.1 Energía potencial gravitacional
Una cantidad que siempre tiene el mismo valor es una cantidad que se conserva. Si solo la fuerza de gravedad efectúa trabajo, la energía mecánica total es constante, es decir, se conserva (figura 7.3, siguiente diapositiva).

12 7.1 Energía potencial gravitacional

13 7.1 Energía potencial gravitacional

14 7.1 Energía potencial gravitacional

15 7.1 Energía potencial gravitacional

16 7.1 Energía potencial gravitacional

17 7.1 Energía potencial gravitacional

18 7.1 Energía potencial gravitacional

19 7.1 Energía potencial gravitacional

20 7.1 Energía potencial gravitacional

21 7.1 Energía potencial gravitacional

22 7.1 Energía potencial gravitacional

23 7.1 Energía potencial gravitacional

24 7.2 Energía potencial elástica
De acuerdo con la tercera ley de Newton, un trabajo es el negativo del otro. Al cambiar los signos en la ecuación, vemos que, al desplazarse de x1 a x2, el resorte efectúa un trabajo Wel dado por El subíndice “el” significa elástico.

25 7.2 Energía potencial elástica

26 7.2 Energía potencial elástica

27 7.2 Energía potencial elástica

28 7.2 Energía potencial elástica
Situaciones con energía potencial tanto gravitacional como elástica

29 7.2 Energía potencial elástica

30 7.2 Energía potencial elástica

31 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
Una fuerza que presenta esta característica de conversión bidireccional entre energías cinética y potencial es una fuerza conservativa.

32 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
El trabajo realizado por una fuerza conservativa siempre tiene cuatro propiedades: 1. Puede expresarse como la diferencia entre los valores inicial y final de una función de energía potencial. 2. Es reversible. 3. Es independiente de la trayectoria del cuerpo y depende solo de los puntos inicial y final. 4. Si el punto inicial coincide con el punto final, el trabajo total es cero.

33 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
Fuerzas no conservativas Una fuerza que no se conserva se llama fuerza no conservativa. El trabajo realizado por una fuerza no conservativa no puede representarse con una función de energía potencial. Algunas fuerzas no conservativas, como la fricción cinética o la resistencia de fluidos, hacen que la energía mecánica se pierda o se disipe; una fuerza de este tipo se llama fuerza disipativa. También hay fuerzas no conservativas que aumentan la energía mecánica.

34 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas

35 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
La ley de conservación de la energía Cuando un automóvil con frenos bloqueados se derrapa hasta detenerse, se calientan los neumáticos y el camino. La energía asociada con este cambio en el estado de los materiales se denomina energía interna. Cuando se eleva la temperatura de un cuerpo, aumenta su energía interna; si se reduce su temperatura, disminuye su energía interna.

36 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
El significado físico de la ecuación (7.16) es que una fuerza conservativa siempre trata de llevar el sistema a una energía potencial menor.

37 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
Cuando un bloque se desliza, la fricción realiza trabajo negativo sobre el bloque, y el cambio de la energía interna del bloque y de la superficie es positivo (ambos se calientan).

38 7.3 Fuerzas conservativas y no conservativas
Este trascendental enunciado es la forma general de la ley de conservación de la energía. Si ampliamos nuestra definición de energía para incluir la energía interna, la ecuación (7.15) indica que la energía nunca se crea ni se destruye, solo cambia de forma.

39 7.4 Fuerza y energía potencial

40 7.4 Fuerza y energía potencial
Fuerza y energía potencial en tres dimensiones Es posible extender este análisis a tres dimensiones, donde una partícula puede moverse en las direcciones x, y, z o todas a la vez, bajo la acción de una fuerza conservativa con componentes Fx, Fy y Fz. Cada componente de la fuerza puede ser función de las coordenadas x, y y z. La función de energía potencial U también es función de las tres coordenadas espaciales.

41 7.5 Diagramas de energía Empleamos el término diagrama de energía para una gráfica como la 7.23b), la cual muestra tanto la función de energía potencial U(x) como la energía de la partícula, bajo la influencia de la fuerza, que corresponde a una energía potencial U(x).

42 7.5 Diagramas de energía Supongamos que x = 0 es un punto de equilibrio estable. Más generalmente, todo mínimo de una curva de energía potencial es una posición de equilibrio estable. Los puntos x2 y x4 (en la figura 7.24, siguiente diapositiva) se llaman puntos de equilibrio inestable; todo máximo de una curva de energía potencial es una posición de equilibrio inestable.

43 7.5 Diagramas de energía

44 Para terminar… El capítulo 7 ha concluido. Es momento de regresar al inicio del mismo para corroborar si su respuesta inicial se sustenta con los contenidos revisados en este capítulo. De no ser así, proponga otra solución a esta interrogante.

45 Conocimientos a prueba
Llegó el momento de poner en práctica los conocimientos adquiridos. Por ello, lo invitamos a resolver la sección de Problemas al final del capítulo en el libro. ¡Suerte!