Fundamentos de la Energía en Física: Trabajo, Conservación y sus Principios

Introducción a la Energía Mecánica

Se define la energía mecánica de una partícula como la suma de su energía cinética y de su energía potencial: E = E_c + E_p.

Teorema de la Energía Cinética (Fuerzas Vivas)

El teorema de las fuerzas vivas o teorema de la energía cinética establece que el trabajo total realizado sobre una partícula por las distintas fuerzas actuantes es igual al cambio de energía cinética que experimenta la partícula: W = ∆E_c.

El trabajo total (W) es la suma del realizado por las fuerzas conservativas (W_C) y el efectuado por las fuerzas no conservativas (W_NC): W = W_NC + W_C.

Recordemos que las fuerzas conservativas son aquellas que pueden devolver el trabajo que se realiza para vencerlas, como la fuerza de un muelle o las fuerzas centrales.

Por otra parte, el trabajo realizado exclusivamente por las fuerzas conservativas se puede expresar como una disminución de la energía potencial de la partícula: W_C = −∆E_p.

En resumen, podemos escribir:

W = ∆E_c = W_NC + W_C = W_NC − ∆E_p

De donde se deduce que: W_NC = ∆E_c + ∆E_p → W_NC = ∆E.

Principio de Conservación de la Energía Mecánica

Lo anterior expresa el resultado conocido como principio de conservación de la energía mecánica:

La energía mecánica de un cuerpo sujeto únicamente a fuerzas conservativas se mantiene constante.

Si W_NC = 0 → ∆E = 0 → E = constante → ∆E_c = −∆E_p.

Es decir: el aumento de energía cinética conlleva una disminución de energía potencial (y viceversa).

Ejemplo: La energía potencial gravitatoria de una piedra que cae desde un puente se transforma en energía cinética, y la energía mecánica permanece constante durante toda la caída (si despreciamos la fricción con el aire).

Impacto de las Fuerzas No Conservativas

Cuando actúan también fuerzas no conservativas, el trabajo realizado por estas produce una variación en la energía mecánica del cuerpo.

Por ejemplo, si existe rozamiento, se disipa parte de la energía y el cuerpo se frena. Sin embargo, la energía mecánica disipada se transforma en algún otro tipo de energía; en el caso del rozamiento, se produce un aumento de la energía interna del sistema cuerpo-superficie de fricción, que se manifiesta en un incremento de la temperatura.

Principio General de Conservación de la Energía

Así llegamos al principio general de conservación de la energía:

Si consideramos el conjunto de todo el sistema como un todo aislado (sin interacción con ningún otro sistema), la energía total del sistema es constante.

La energía no puede crearse ni destruirse; en los procesos físicos ocurren intercambios de energía, pero siempre de forma que la energía total se mantenga constante.