A diario utilizamos la energía para realizar todas nuestras actividades, pero ¿te has preguntado qué es la energía y de donde proviene?
En este tema aprenderás sobre la energía analizando diversas situaciones coti- dianas que te permitirán aplicar relaciones matemáticas simples para determinar la energía cinética.
Tal como pudiste notar en la actividad anterior, la bolita provoca un desplaza- miento en la caja de fósforos al impactarla, de manera que, mientras mayor es la velocidad que adquiere la bolita, más desplaza a la caja de fósforos. A la capaci- dad que tiene un cuerpo (o un sistema) para poder realizar cambios en sí mismos o en otros se le denomina energía.
¿Qué formas de energías co- noces? ¿Cómo las relacionarías con el concepto de trabajo mecánico?
Objetivo: Reconocer y registrar apren- dizajes previos.
Habilidad: Observar sucesos y relacio- narlos con conocimiento previos. Actitud: Mostrar interés por adquirir nuevos conocimientos.
Tiempo: 20 minutos.
Actividad grupal
Imagen 2. Imagen 1.
Reúnance en parejas y consigan un trozo de cartón de 30 cm x 20 cm, una caja de fósforos vacía, una regla, una bolita de cristal y tres libros. Luego, realicen el siguiente procedimiento:
1. Doblen el cartón por la mitad más larga y construyan un riel.
2. Con dos libros y el riel construyan un plano inclinado y ubiquen al final del riel la caja de fósforos tal como se muestra en la imagen 1.
3. Desde la parte más alta del riel dejen caer la bolita y observen qué sucede con la caja de fósforos. Midan el desplazamiento de la caja de fósforos.
4. Incorporen el otro libro para inclinar aún más el plano y vuelvan a ubicar la caja de fósforos al final del riel, como se muestra en la imagen 2.
5. Dejen caer la bolita por el riel y observen qué sucede con la caja de fósforos. Midan el desplazamiento de la caja de fósforo.
6. Comparen los resultados obtenidos en ambas situaciones. Luego, debatan y respondan a las siguientes preguntas:
a. ¿Qué conceptos estudiados en las lecciones anteriores están presentes en la experiencia realizada?
b. ¿Cómo explicarían que la bolita que descendió por el riel más inclinado produjo un efecto mayor sobre la caja? Propongan una hipótesis.
c. ¿De qué manera realizar esta experiencia, les permite aplicar sus conoci- mientos y adquirir otros nuevos?
c.
Indaguemos
a partir de nuestros aprendizajes previos
138 Unidad 3 • Trabajo y energía
Para comprender mejor el concepto de energía, considera el lanzamiento de un basquetbolista. Cuando se lanza el balón, la fuerza aplicada por el cuerpo produce un trabajo sobre el balón, moviéndolo y trasladándolo hasta la canasta. Esta es la idea detrás del concepto de energía. En términos más amplios, se puede considerar a la energía como la capacidad que tienen los sistemas para modificar sus propiedades a lo lar- go del tiempo.
La variación de la energía de un cuerpo se puede ocasionar por ejemplo, producto de la modificación de su movimiento (aumento o disminución de su rapidez), el cambio en su forma, la modificación de su temperatura, entre otros. De esta manera, todo trabajo mecánico puede ocasionar un cambio en la energía.
La energía no puede ser creada ni destruida, solo se trans- forma de un tipo a otro, y se transfiere de un objeto a otro, como estudiaremos en esta lección.
Actividad grupal
Reconozcamos la energía en nuestro entorno
Reúnanse en parejas y, a partir de las siguientes imágenes, respondan las preguntas asociadas.
a. ¿De qué forma está presente la energía en cada una de las fotografías?
b. ¿Cómo se observa el concepto de trabajo mecánico en las fotografías?
La energía cinética
La energía cinética es aquella que se encuentra asociada al movimiento. Por ejemplo, una persona que trota, el agua de un río o el viento, varían su energía cinética.
En términos físicos, la energía cinética se define como la capacidad que posee un cuerpo para realizar un trabajo mecánico en virtud de su movimiento. Este trabajo se pone de manifiesto cuando el cuerpo se ve obligado a cambiar su estado de movimiento.
La energía cinética (EC) de un cuerpo depende simultánea- mente de su masa y de su rapidez. El modelo matemáti- co que integra estas variables y que permite determinar la energía cinética de un cuerpo es:
EC = 1 _ 2 ∙ m ∙ v2
Donde m es la masa del cuerpo medida kg y v la rapidez medida en m/s, según el Sistema Internacional.
Al igual que el trabajo mecánico, la energía cinética se mide en joule (J) en el Sistema Internacional de unidades. De hecho,
1J = 1N ∙ m = 1 kg ∙
(
__ m s)
2La energía cinética es una magnitud escalar y siempre es mayor o igual a cero, ya que se anula solo si el cuerpo no tiene rapidez. De esta manera, si dos cuerpos de masas iguales se mueven con la misma rapidez, pero en direccio- nes distintas, tienen igual energía cinética.
Imagen del parque eólico Punta Palmeras.
¿Qué otras manifestaciones de la energía cinética conoces?
Actividad grupal
Relacionemos la energía cinética con el medio
ambiente
Lean la siguiente afirmación y luego respondan las preguntas.
Existen varias maneras de generar energía eléctrica sin con- taminar el medio ambiente, una de ellas es la energía eólica, que consiste en aprovechar la energía cinética del viento para convertirla, por medio de un generador, en energía eléctrica. En Chile, existen varios parques eólicos que abas- tecen a algunas ciudades; tal es el caso del parque Punta Palmeras, en Colbún, en la Región del Maule.
1. ¿De qué otras maneras se puede aprovechar la energía cinética para generar energía eléctrica en la naturaleza?
2. ¿De qué manera este tipo de energía contribuye al me- dio ambiente?
2.
140 Unidad 3 • Trabajo y energía
Actividad individual
Reflexiono sobre la energía cinética
Lee la siguiente afirmación y luego responde las preguntas.
En el país, los accidentes de tránsito por imprudencias del conductor se pueden observar a diario y en muchas ocasiones la causa principal es el exceso de velocidad. En esta situación, cuando un vehículo transita a gran
rapidez, lleva consigo una enorme cantidad de energía cinética, es decir, tiene la capacidad de realizar un trabajo de gran magnitud y, por lo tanto, al impactar puede ejercer una fuerza de grandes dimensiones, lo que origina-
rá graves consecuencias.
a. ¿Por qué es importante respetar las leyes del tránsito? Explica desde el con- texto científico, y a partir de las evidencias.
b. ¿Cómo podrías crear conciencia acerca de respetar los límites de velocidad?
a. b.
¿Cómo se relaciona la energía cinética con el
trabajo mecánico?
Cuando una fuerza neta (distinta de cero) actúa sobre un cuerpo, varía su estado de movimiento y, en consecuencia, produce un cambio en su rapidez, por lo que el trabajo realizado por la fuerza puede originar un cambio en la energía cinética de este.
Para determinar la relación formal entre el trabajo y la energía cinética, debemos considerar que el módulo de la fuerza neta que origina el desplazamiento del cuerpo es constante y paralelo al desplazamiento de un cuerpo. Por lo tanto, el trabajo será:
W = F ∙ 4x
Aplicando la segunda ley de Newton, F = m ∙ a, el trabajo se puede expresar como:
W = m ∙ a ∙ 4x 1
Dado que el cuerpo experimenta un movimiento rectilíneo y acelerado, se cumple que: 2 ∙ a ∙ 4x = v f2 - v i2 Despejando obtenemos: a ∙ 4x = ______ v f2 - v i2 2 2
Al reemplazar la ecuación 2 en la expresión 1, obtenemos:
W = m ‧ v ______ f2 - v 2 i2 W = 1 _ 2 ‧ m ‧ v f2 - 1 _ 2 ‧ m ‧ v i2
W = ECf - ECi W = 4EC
De lo anterior se infiere que el trabajo realizado por la fuerza neta se emplea en variar la energía cinética del cuerpo. Esta expresión se denomina teorema del trabajo y la energía cinética.
Una de las principales herramien- tas de la física es la matemática. Esta permite validar, a través de su estructura lógica, los modelos y ecuaciones que representan determinados fenómenos natura- les. La mayoría de las expresiones presentes en esta disciplina son el fruto de experimentaciones, mediciones y deducciones, como la relación entre trabajo y energía presentada en esta página. ¿Qué opinas sobre esto? ¿De qué mane- ra has utilizado tus conocimientos en matemática para comprender mejor el mundo que te rodea?
Cada vez que subimos una escalera realizamos un trabajo, el que puede resultar especialmente agotador dado que lo hacemos en oposición a la fuerza de grave- dad. Pero ¿qué tipo de energía se encuentra asociado a esta situación?
En este tema, describirás diferentes situaciones cotidianas en las que se encuentra presente la energía potencial. Para ello, realizarás diversas actividades que te permi- tirán comprender este tipo de energía y cómo se puede utilizar de manera eficiente.
¿Cómo se relaciona el concepto de potencia con la energía potencial? Infiere.
Indaguemos
En grupos de tres integrantes consigan dos trozos de cartón de 10 cm x 10 cm, gre- da, una bolita de acero, una huincha de medir y realicen el siguiente procedimiento: 1. Cubran cada uno de los trozos de cartón con 1 cm de greda.
2. Desde una altura de 20 cm, dejen caer la bolita sobre uno de los cartones cubiertos por arcilla, tal como se muestra en la imagen.
3. Utilizando el otro cartón, repitan el procedimiento, pero esta vez, dejen caer la bolita desde una altura de 40 cm. Procuren que la bolita esté libre de residuos de greda para que mantenga sus características. Analicen los resultados y luego respondan las siguientes preguntas:
a. ¿Qué conceptos estudiados hasta el momento están presentes en la actividad?
b. ¿Qué diferencias observaron en la impresión dejada por la bolita sobre la greda en ambos casos? Describan.
c. ¿Cómo creen que se relaciona el resultado obtenido con el trabajo realiza- do por la bolita y la energía?
d. ¿Realizaron el procedimiento descrito de manera ordenada y rigurosa? De no ser así, ¿cómo podrían mejorar?
d. Objetivo: Caracterizar la energía aso-
ciada a la posición.
Habilidad: Analizar evidencias. Actitud: : Mostrar rigurosidad y perseverancia.
Tiempo: 25 minutos.
Imagen del procedimiento.
Actividad grupal
En la actividad anterior observaste que la bolita produjo un efecto más notorio sobre la greda cuando fue soltada desde una altura mayor. ¿A qué se debe esto?