La energía mecánica es la suma de las energías cinética y potencial de un cuerpo o sistema. En física, un sistema o cuerpo en la Tierra puede tener energía potencial gravítatoria, energía asociada a la posición con respecto a la Tierra, y al mismo tiempo tener energía cinética cuando está en movimiento.
Fórmula de energía mecánica
Dado que la energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial, la fórmula de energía mecánica se refleja de esta forma:
Así, la fórmula de la energía cinética es:
donde la masa se expresa en kilogramos y la velocidad en m/s.
La fórmula de la energía potencial gravitatoria es:
donde la masa se expresa en kilogramos, la altura en metros y la constante de gravedad (g) es igual a 9,8 m/s2. En el sistema internacional (SI) la unidad de energía es el joule (J).
Ejemplos de energía mecánica
El patinador que está parado en la parte más alta de la rampa de patinaje tiene toda su energía mecánica como energía potencial. Cuando se lanza, disminuye su altura y aumenta su velocidad, esto implica que la energía potencial se transforma en energía cinética; sin embargo, la energía mecánica permanece constante.
Cuando nos impulsamos en un columpio, a medida que ganamos velocidad llegamos a una cierta altura. Así, cuando la altura h aumenta, la energía potencial gravitacional aumenta, mientras que la velocidad v disminuye, es decir, disminuye la energía cinética.
Cuando lanzamos una pelota hacia arriba, la altura que alcanza será proporcional al cuadrado de la velocidad con que se realizó el lanzamiento.
Vea también:
Ley o principio de conservación de la energía mecánica
La energía no se crea ni se destruye, por eso, la energía mecánica es constante. Esto quiere decir que la variación o cambio de la energía mecánica a lo largo de una trayectoria es igual a cero:
Esto se cumple si sobre un sistema actúan solo fuerzas conservativas o fuerzas no conservativas cuyo trabajo sea nulo.
Esta ley se aplica cuando queremos relacionar la velocidad y la altura de un cuerpo en varias posiciones. Para tal efecto, se consideran despreciables las fuerzas de roce y de resistencia del aire.
Vea también Ley de la conservación de la energía.
Características de la energía mecánica
- Es resultado de la energía potencial y de la energía cinética de un cuerpo.
- Es constante en la trayectoria del cuerpo o sistema.
- En el mismo sistema, la energía cinética se transforma en energía potencial y viceversa.
- Las variaciones en energía cinética y energía potencial son simétricas: cuando una aumenta, la otra disminuye.
Vea también Energía.
Ejercicios de energía mecánica explicados
Un cilindro de 100 gramos se desliza sobre una rampa partiendo del reposo en la posición A a 12 metros de altura hasta el punto B a 10 metros, para luego caer a nivel del piso en el punto C.
1. ¿Cuánto es la energía mecánica del cilindro en el punto B?
La energía mecánica en el punto B es:
Sabemos la altura en B (h=10m) y la masa (m=100g), pero desconocemos la velocidad en B (vB=?). Sabemos que la energía mecánica total es constante, y que en la posición A la velocidad es 0, pues el cilindro no está en movimiento. Así, la energía mecánica del cilindro en A es igual a B y C, por lo que podemos calcular la energía mecánica de B como la energía mecánica en A, donde sólo existe energía potencial gravitacional:
2. ¿Cuál es la velocidad del cilindro en el punto C?
De acuerdo a la ley de conservación de la energía mecánica,
Dicho de otra manera:
Como la altura en el punto C es igual a 0, podemos despejar la velocidad:
3. ¿Cuál es el aumento de energía cinética entre B y C?
Los cambios de energía cinética son simétricos a los cambios de energía potencial, es decir:
Por lo tanto, el aumento de energía cinética de B a C es igual a la disminución de energía potencial de B a C:
La altura en C es igual a 0, por lo que el cambio de energía potencial es:
Entonces, el aumento de energía cinética entre B y C es de 9,8 joules.