Transferencia y disipación de energía
Energy transfer and dissipation
Antes de empezar
Coloca el deslizador alto en la pista y suéltalo desde el reposo. Al bajar, gana rapidez. Esto conecta el trabajo empleado en elevarlo con su movimiento posterior. Aquí el trabajo es la fuerza por la distancia recorrida en la dirección de la fuerza. Describimos la primera parte como energía potencial gravitatoria del sistema deslizador-Tierra y la segunda como energía cinética. Ahora podemos seguir su intercambio y preguntar a dónde va la energía cuando actúa una resistencia.
Mientras el carrito baja por la pista, es fácil fijarse solo en su rapidez creciente. Acompáñalo también en la subida: ¿qué le ocurre a la altura mientras frena? Sin resistencia, la energía cinética ganada al bajar puede volver a convertirse en energía potencial gravitatoria. La altura de retorno nos da una comprobación de ese balance. Con resistencia, el carrito no alcanza su altura original, lo que nos da una razón para incluir el entorno. El del diagrama registra su aumento de energía interna. Compáralo con la altura y la rapidez del carrito antes de concluir que ha desaparecido energía.
Configuración del experimentoUn pequeño deslizador recorre una pista curva cuyo punto más bajo tomamos como altura cero. El violeta muestra la energía almacenada por la altura, ; el azul muestra la energía del movimiento, . Cuando la tasa de amortiguamiento es mayor que cero, unas tenues estelas rojas indican la energía transferida al entorno, . Los deslizadores fijan la altura de liberación y la masa, y la lectura suma las tres energías para obtener el total, .
Cómo observarPrimero suelta el deslizador sin amortiguamiento. Observa cómo el violeta se convierte en azul al bajar y vuelve a convertirse en violeta al subir; comprueba que conserva el mismo valor. Después, aumenta la tasa de amortiguamiento y vuelve a soltarlo. El deslizador ya no regresa a su altura inicial, pero sigue siendo la misma cuando incluimos . Utiliza el deslizador del tiempo para detenerte en cualquier instante y sumar por tu cuenta.
Primero, predice¿Por qué el deslizador puede tener energía antes de empezar a moverse?
Explicar la conversión y la transferencia de energía en una misma liberación, y que el total no cambia.
Conocimientos previos: La rapidez describe el movimiento; la energía se mide en julios. Antes de asignar energía potencial hay que elegir un sistema y un nivel de referencia. La fuerza se mide en newtons (N). Cerca de la Tierra, cada kilogramo es atraído hacia abajo con unos 9.81 N, escrito g. Esta página escribe la energía potencial como U, la energía cinética como K y la energía transferida al entorno como Q. Su suma es Σ, y todas se miden en julios (J).Definir el sistema y el nivel cero
Primero, predice¿Por qué el deslizador puede tener energía antes de empezar a moverse?
Primero elegimos el sistema y el cero: estudiamos el bloque y la Tierra, y fijamos como cero la energía potencial gravitatoria en el punto más bajo de la pista. La energía potencial no es un color; registra la energía que se puede extraer cuando cambia la posición del objeto. Para subir despacio una masa una altura hay que sostenerla con una fuerza hacia arriba. Esa fuerza es igual al peso , donde vale unos . El trabajo realizado al levantar el objeto es la fuerza multiplicada por la distancia que se levanta.
En una pista curva ocurre lo mismo: como el peso es vertical, el trabajo en un tramo pequeño depende solo del cambio de altura vertical de ese tramo. Sumar los cambios de altura de todos los tramos da la diferencia total de altura. es la energía potencial a la altura y la del punto más bajo; como el punto más bajo vale 0, y . Con y , ; antes de soltarlo no hay velocidad y la energía cinética es 0. El morado indica esta energía del sistema, no una sustancia dentro del bloque.
Cómo observar
- Suéltalo desde lo alto y observa cómo el deslizador pasa de morado a azul.
- Añade amortiguación y observa cómo disminuye la amplitud y el entorno se vuelve ocre poco a poco.
- Arrastra el progreso y comprueba la suma de energía potencial, cinética e interna.
Qué simplifica este modelo
Un deslizador puntual recorre una pista parabólica fija cuya altura crece con el cuadrado de la distancia horizontal; se omite la energía de rotación. La energía potencial gravitatoria pertenece al sistema deslizador–Tierra y es cero en el punto más bajo. La fuerza de resistencia a lo largo de la pista es proporcional a la masa y a la velocidad, y se opone al movimiento. La energía mecánica perdida se contabiliza como energía interna del entorno; no se calcula la temperatura. Los colores y los puntos luminosos solo indican el reparto y la transferencia de energía; los objetos no emiten luz de verdad.
