La energía mecánica es la suma de energía en un sistema mecánico, o cualquier grupo de objetos que interactúan basándose en principios mecánicos básicos. Esto incluye tanto la energía cinética, la energía del movimiento como la energía potencial, la energía almacenada de la posición. Normalmente, en un sistema mecánico, la gravedad es la única fuerza exterior importante que debe tenerse en cuenta. En un sistema químico, por el contrario, las fuerzas entre moléculas individuales y átomos deben tenerse en cuenta.
Fondo general
La energía mecánica existe tanto como energía cinética como potencial en un sistema. La energía cinética está presente siempre que un objeto está en movimiento. La energía potencial se basa en la posición de un objeto; es energía almacenada y no puede trabajar por sí sola. Sin embargo, puede convertirse en otras formas de energía, incluida la energía cinética. Una bola de boliche suspendida a 10 m (3 pies) del suelo, por ejemplo, no tiene energía cinética porque no se mueve. Sin embargo, tiene una gran cantidad de energía potencial (en este caso, energía potencial gravitacional) que se convertiría en energía cinética si se dejara caer la bola.
Las clases de física de la escuela secundaria a menudo comienzan instruyendo a los estudiantes sobre los principios básicos de los sistemas mecánicos y su energía. Esto se debe a que normalmente son más fáciles de visualizar y fáciles de simplificar. Se pueden realizar cálculos básicos sobre estos sistemas sin utilizar cálculo. En la mayoría de los problemas físicos simples, el sistema mecánico permanece cerrado y se ignoran los factores que normalmente eliminarían energía del sistema, como la fricción y la resistencia del aire.
Cómo calcular la energía mecánica
La energía mecánica total se puede calcular simplemente sumando la energía potencial y cinética del sistema. La energía potencial (PE) es un producto de la altura del objeto sobre el suelo (h), su masa (m) y la aceleración gravitacional de la Tierra (g, que es 9.8 m / s2).
PE = h × m × g
La energía cinética de un objeto (KE) es el producto de la mitad de su masa y su velocidad al cuadrado (v).
KE = 1 / 2mv2
La masa se expresa en kilogramos (kg), la altura en metros (m), la velocidad en metros por segundo (m / s) y la energía en julios (j).
Por ejemplo, la energía potencial de una bola de boliche de 5 kilogramos (11 libras) que está a 3 metros (10 pies) sobre el suelo es de 147 julios (5 kg × 3 m × 9.8 m / s2 = 147 j) si la bola está en movimiento o en reposo. Si esa bola también cae a una velocidad de 2 m / s, su energía cinética es de 10 julios (1/2 × 5 kg × 22 m / s = 10 j).
Una vez que se conocen la energía potencial y cinética, se puede encontrar la energía mecánica total. Los dos tipos de energía simplemente se suman.
Energía mecánica = PE + KE
En este ejemplo, la energía mecánica total de la bola de boliche es 157 joules (147 j + 10 j = 157 j).
Energía mecánica vs.química y nuclear
Hay muchas otras formas de energía y, a veces, puede resultar difícil distinguir correctamente una de la otra. La energía química, por ejemplo, es la energía almacenada dentro de enlaces químicos en moléculas. La energía nuclear es la energía presente en las interacciones entre partículas en el núcleo de un átomo. La energía mecánica, por el contrario, generalmente ignora la composición de los objetos y solo mira los objetos en cuestión, sin preocuparse por su composición molecular.
Este enfoque está diseñado para simplificar los cálculos de energía mecánica y sistemas mecánicos. Los objetos en estos sistemas generalmente se tratan como objetos individuales en lugar de como la suma de miles de millones de moléculas. Calcular la energía cinética y potencial de un solo objeto es una tarea sencilla; calcular estos tipos de energía para miles de millones de moléculas sería extremadamente difícil. Sin simplificar las partes de un sistema mecánico, los científicos necesitarían examinar los átomos individuales y todas las interacciones y fuerzas que existen entre ellos. Normalmente, esto se reserva para la física de partículas.
Conversión entre tipos de energía
La energía mecánica se puede convertir en otros tipos de energía utilizando equipos especiales. Por ejemplo, los generadores están diseñados para tomar trabajo mecánico y convertirlo en electricidad. Otros tipos de energía también se pueden convertir en energía mecánica; por ejemplo, el motor de combustión interna de un automóvil convierte la energía química del combustible en energía mecánica utilizada para hacer que el automóvil se mueva.