Energía cinética

¿Qué es la energía cinética?

La energía cinética es la energía del movimiento.

Todo cuerpo que se mueve en traslación o rotación, que oscila o vibra tiene energía cinética.

Todo movimiento es relativo al marco de referencia elegido, por lo que también es el caso de la energía cinética, cuyo valor también depende del marco de referencia.

Unidad y notación

La energía cinética se anota generalmente como Ec.

Cuando se estudian varios sistemas, sus energías cinéticas se distinguen añadiendo un número en el índice (Ec1, Ec2, Ec3, etc.) o especificando el nombre del sistema entre paréntesis (Ec(sistema 1), Ec(sistema 2), etc.).

Al comparar las energías cinéticas de un sistema al principio de su movimiento y al final, la energía cinética inicial se anota Eci y la energía cinética final se anota Ecf

Como todas las energías, la energía cinética se expresa en julios (J).

Las energías derivadas de la energía cinética

  • La energía térmica está vinculada a la agitación de los componentes microscópicos de la materia y, por tanto, refleja la energía cinética de los átomos y las moléculas.
  • La energía eólica es la energía del viento y, por tanto, refleja la energía cinética global del aire.
  • La energía hidráulica aprovecha el flujo del agua y corresponde en parte a la energía cinética del agua.

Fórmula de la energía cinética

La energía cinética de un sólido puntual o de un sólido en traslación puede expresarse mediante la siguiente fórmula:

Ec = ½.m.v²

Dónde :

  • Ec está en julios (J)
  • m es la masa del sólido en kilogramos (kg)
  • v es la velocidad en metros por segundo (m/s o m.s-1)

Un sólido está en traslación si cada uno de sus puntos se mueve, en cada instante del movimiento, a la misma velocidad que los demás puntos del sólido. Un movimiento de traslación no es necesariamente rectilíneo, también puede ser curvilíneo o circular.

En el caso de que un sólido no esté en traslación, la energía cinética total del sistema incluye un término que es la energía cinética de rotación, cuya expresión no figura en el programa de estudios del primer año.

Ejemplos

  • Si un sólido de masa m=2,00kg está en traslación a una velocidad v=10,0 m/s entonces su energía cinética es Ec= ½.2.102 es decir Ec= 100 J
  • Si un sólido en traslación con masa m = 400 g tiene una velocidad v=72 km/h hay que convertir primero la masa y la velocidad: m = 0,400 kg y v = 20 m/s. Entonces Ec= ½.0,400.202, Ec = 80 J

Relación entre masa y energía cinética

La expresión de la energía cinética muestra que es proporcional a la masa del sistema, por lo que para velocidades iguales :

  • Un sistema con el doble de masa tiene el doble de energía cinética
  • Un sistema con el triple de velocidad tiene el triple de energía cinética.
  • Un sistema con diez veces la masa tiene diez veces la energía cinética.

Relación entre la velocidad y la energía cinética

La fórmula Ec=½mv2 establece que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad, por lo que si la velocidad se multiplica por un factor determinado (la masa permanece constante) entonces la energía cinética se multiplica por el cuadrado de ese factor:

  • Si la velocidad se multiplica por dos entonces Ec se multiplica por 2² = 4
  • Si la velocidad se multiplica por tres, entonces Ec se multiplica por 3² = 9
  • Si la velocidad se multiplica por diez, entonces Ec se multiplica por 10² = 100

Energía cinética y energía mecánica

La energía cinética es uno de los componentes de la energía mecánica, esta última se define por la relación Em = Ec + Ep

Cuando un sistema sólo está sometido a las llamadas fuerzas conservativas (que no disipan energía del sistema al exterior) entonces la energía mecánica se conserva y cualquier variación en uno de sus componentes se compensa con una variación en el otro componente.

Por ejemplo

  • Si la energía potencial de la gravedad aumenta en 20 J entonces la energía cinética disminuye simultáneamente en 20 J
  • Si Ep disminuye en 50 J entonces la energía cinética aumenta simultáneamente en 50 J
  • La conservación de la energía mecánica puede utilizarse para determinar la energía cinética de un sistema (y posiblemente su velocidad)

Conversión de la energía cinética en energía térmica

Durante un movimiento con rozamiento (un objeto que se desliza por el suelo, unas pastillas de freno que aprietan un disco de freno, un meteorito que entra en la atmósfera terrestre…), una parte de la energía cinética se convierte en energía térmica que se transfiere a los cuerpos en contacto.

Conversión de la energía cinética en energía potencial gravitatoria

Cuando un sistema se mueve en el campo gravitatorio de la Tierra, cualquier movimiento ascendente va acompañado de una conversión de energía cinética en energía potencial de la gravedad, mientras que cualquier movimiento descendente va acompañado de una conversión inversa.

Si no hay fricción durante el movimiento, esta conversión es completa, de lo contrario es sólo parcial.

Transferencias de energía cinética

Cuando dos sistemas móviles (no deformables) entran en contacto (colisionan) se produce una transferencia de energía cinética entre ambos sistemas: la suma de las energías cinéticas de los dos sistemas antes de la colisión es igual a la suma de las energías cinéticas de los dos sistemas después de la colisión.

En el caso de que uno de los sistemas esté parado, la energía cinética inicial del sistema en movimiento se reparte (no necesariamente en la misma proporción) entre los dos sistemas.