3.2 · Energy

Energía: el contador de la física

Nada destruye la energía; solo se transfiere entre almacenes y parte se disipa en formas menos útiles. El segundo tema de OxfordAQA establece los fundamentos: trabajo y potencia, las tres ecuaciones de almacenamiento de energía, conservación con diagramas de Sankey y las opciones detrás de los recursos energéticos nacionales.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.2 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

Fuerzas y energía

Se realiza trabajo cuando una fuerza desplaza su punto de aplicación a través de una distancia; el trabajo contra la fricción transfiere energía mediante calentamiento (reentrada de la nave espacial, meteoritos, frenos). Un resorte estirado almacena energía potencial elástica $\frac{1}{2}ke^2$; una masa elevada almacena energía potencial gravitatoria mgh; una masa en movimiento transporta energía cinética ½mv² — duplicar la masa la duplica, pero duplicar la velocidad la cuadruplica (el vínculo con la seguridad vial). La potencia es la tasa de transferencia de energía.

Ejercicio resuelto. Un coche de 1500 kg a 20 m/s frena hasta detenerse: se extraen KE $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — todo transferido al calentamiento de los frenos. Al elevarlo 2 m con g = 10 N/kg se almacenan $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.

Ejercicio resuelto (almacén elástico a almacén cinético). Un resortero de catapultas tiene $k = 100$ N/m y se estira 0.20 m. Energía almacenada $E_e = \tfrac12 \times 100 \times 0.20^2 = \tfrac12 \times 100 \times 0.040 = 2.0$ J (elevar al cuadrado la extensión primero). Si toda va a una piedra de 0.050 kg: $\tfrac12 \times 0.050 \times v^2 = 2.0$, por lo tanto $v^2 = 80$ y $v = 8.9$ m/s.

Ejercicio resuelto (caída libre). Una bola se deja caer desde 5.0 m. Su energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética: $mgh = \tfrac12 mv^2$, por lo tanto $v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 10 \times 5.0} = 10$ m/s, sin importar su masa (ignorando la resistencia del aire).

Ejercicio resuelto (potencia). Una grúa eleva una carga de 500 kg hasta 12 m en 20 s. Energía transferida $= mgh = 500 \times 10 \times 12 = 60\,000$ J, por lo tanto $P = 60\,000 \div 20 = 3000$ W o $= 3.0$ kW.

Transferencias y disipación de energía

Cuando un sistema cambia, la energía se transfiere: útilmente, se almacena o se disipa ("desperdicia") en almacenes menos útiles; nunca se crea ni se destruye. La fricción y la resistencia del aire disipan energía mediante calentamiento. (P) Un péndulo intercambia energía cinética y potencial gravitatoria en cada oscilación.

Los diagramas de Sankey muestran la redistribución: las flechas se dividen en proporción a los flujos de energía (trácelos a escala — el ancho ∝ energía).

Comprobación resuelta. Una lámpara de 60 W emite 6 W de luz: eficiencia $= 6/60 \times 100 = 10\%$.

Ejercicio resuelto (energía desperdiciada). Un motor consume 800 W y entrega 600 W de potencia útil. Rendimiento $= 600/800 \times 100 = 75\%$. Los otros 200 W se disipan, por lo que en un minuto $200 \times 60 = 12\,000$ J calientan el motor y su entorno. En un diagrama de Sankey, la flecha de entrada se divide en una flecha útil tres veces más ancha que la desperdiciada.

Recursos energéticos

Los combustibles se eligen por su facilidad de almacenamiento, contenido energético y seguridad; algunos transfieren más energía de forma útil que otros. La generación nacional comercia la renovabilidad con el costo, la fiabilidad y el impacto ambiental de la extracción, uso y disposición.

Errores comunes

• Olvidar elevar al cuadrado en $E_e = \tfrac12 ke^2$ o $E_k = \tfrac12 mv^2$. Elevar al cuadrado primero $e$ o $v$, luego multiplicar.
• Usar la longitud del resorte en lugar de su extensión, o centímetros en lugar de metros.
• Usar masa en lugar de peso en $W = F \times d$ para un ascensor. La fuerza necesaria es el peso, $mg$.
• Obtener un rendimiento superior al 100%. La salida útil nunca puede ser mayor que la entrada total.
• Decir que la energía disipada se destruye. Todavía existe, distribuida en el entorno como energía térmica.
• Dibujar un diagrama de Sankey cuyas flechas de salida no sumen la flecha de entrada.

Compruébalo tú mismo

1. Calcule el trabajo realizado por una fuerza de 50 N que se desplaza 4 m.
2. Calcule la energía elástica en un resorte (k = 200 N/m) estirado 0.15 m.
3. Un libro de 2 kg se levanta 3 m a g = 10 N/kg. Calcule la GPE ganada.
4. ¿Qué sucede con la energía cinética de un coche cuando frena?
5. Un motor transfiere 800 J en 20 s. Calcule su potencia.
6. Enuncie la ecuación de eficiencia en sus formas de energía y potencia.
7. Una lámpara emite 12 J de luz por cada 100 J de entrada. Calcule la eficiencia.
8. ¿Qué indica el ancho de las flechas en un diagrama de Sankey?
9. Dé una ventaja y un inconveniente de la energía eólica.
10. ¿Qué significa "disipado"?

Respuestas: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J; 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J; 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J; 4 se transfiere a energía térmica de los frenos y el entorno mediante la fuerza de fricción (los frenos se calientan); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 energía útil de salida ÷ energía total de entrada (×100 %); potencia útil de salida ÷ potencia total de entrada; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 la energía que fluye en esa dirección — el ancho es proporcional a la energía; 9 renovable sin combustible ni emisiones; salida intermitente con impacto visual; 10 transferida a almacenes menos útiles (a menudo calor residual), por lo que no puede realizar fácilmente lo que deseamos.