Uno de los resultados más notables de la teoría especial de la relatividad de Einstein es que la masa es también una forma de energía. Es imposible que un objeto no tenga energía, siempre tendrá, como mínimo, la energía contenida en su masa. Se la llama, justamente, energía en reposo y su relación con el valor de la masa se da a través de la famosa expresión:
E = m . c
2La letra c representa la velocidad de la luz en el vacío. Como su valor es muy grande (300.000 km/s) aun una masa m pequeña contiene enormes cantidades de energía E.
En ciertas reacciones nucleares, los productos de la reacción suman una masa menor que los núcleos ori- ginales. Esta diferencia de masas es la energía liberada en la reacción.
ENERGIA ELECTRICA: la energía eléctrica es la que hace funcionar muchos de los aparatos que se usan a diario: las lámparas para iluminación, el televisor, la licuadora, el equipo de sonido, la computadora, la radio, etc. Podemos obtenerla a través de la red de distribución domiciliaria, enchufando los aparatos a los tomacorrientes, o usando pilas y baterías, que son dispositivos en los que la energía eléctrica está almacenada.
Esta forma de energía se origina en las fuerzas electromagnéticas de atracción y de repulsión que exis- ten entre los cuerpos con carga eléctrica.
ENERGIA QUIMICA: los materiales combustibles contienen energía química. La nafta, el gasoil, el carbón, la madera, el gas natural (que quemamos en la cocina), el excremento seco de los animales y mu- chas otras sustancias son usadas por el hombre para extraerles su energía química mediante la combus- tión.
También los alimentos contienen energía química, que se libera cuando se combinan con el oxigeno que respiramos, “quemándose” en el interior de nuestro cuerpo.
La energía química está almacenada en los enlaces que unen entre sí a los átomos que forman las molé- culas de las sustancias. Al romperse éstas uniones, se libera energía. Puesto que las fuerzas que man- tienen unidos a los átomos entre sí son de índole electromagnética, puede decirse que la energía química es, en realidad, una forma de energía electromagnética.
ENERGÍA ELASTICA: un resorte, un arco, una cinta elástica, son capaces de almacenar energía elástica al ser estirados o comprimidos. Analizando el fenómeno más profundamente, vemos que, al estirar o comprimir el material, se fuerza a sus moléculas a separarse o acercarse. Entonces, la energía acumula- da se debe a la deformación a la que se sometió el material, en oposición a las fuerzas eléctricas que
existen entre las moléculas que lo conforman. Debido a esto se puede decir que la energía elástica es, también, un tipo de energía eléctrica.
ENERGIA POTENCIAL GRAVITATORIA: para elevar verticalmente un objeto o cuerpo cualquiera, so- metido a la influencia de la gravedad terrestre, debemos como mínimo, contrarrestar su peso. Al ele- varlo logramos que el objeto almacene una cantidad de energía potencial gravitatoria que dependerá del valor de su masa m, de la altura h a la que se lo eleve, y de la aceleración de la gravedad del lugar g, según la relación:
Ep = m . g . h
Cuánto más se eleve el cuerpo respecto del suelo, más energía potencial gravitatoria acumulará en rela- ción con éste.
Ejemplo: calcular la energía potencial gravitatoria que adquiere un cuerpo cuya masa es de 500 kg, al ser elevado una altura de 20 metros, en una zona donde
g = 9,8 m/s
2 será:Ep = 500 kg . 9,8 m/s
2. 20 m
Ep = 98.000 kg . m
2/ s
2La unidad así obtenida se llama Joule:
2
1
.
.
1
kg m
m
N m
Joule
s
= 1 J
Luego:Ep = 98.000 J
Ejercicio: si queremos que una manzana de 100 gramos acumule una energía potencial gravitatoria de 1 J ¿hasta qué altura debemos elevarla a partir de su posición inicial?
... ... ... ENERGIA NUCLEAR: los núcleos de los átomos que tienen muchos protones y neutrones (llamados ele- mentos pesados) poseen cierta inestabilidad pues, debido a su tamaño, los nucleones se encuentran, en su mayoría, bastante separados entre sí. Esto hace que la fuerza eléctrica de repulsión se haga relati- vamente más importante y pueda llegar a separar el núcleo en pedazos. Al romperse o fisionarse el núcleo de un átomo, se libera una inmensa cantidad de energía.
En las centrales nucleares se logra producir la fisión controlada de grandes cantidades de núcleos de elementos pesados (como el U-235 o el Pu-239), obteniéndose así la energía nuclear almacenada en ellos.
A todas las energías anteriormente mencionadas se las llama potenciales, ya que son energías almace- nadas en un cuerpo. Estas energías se originan en las fuerzas de interacción que existen entre los cuer- pos.
ENERGIA TERMICA: si, en una noche fría, nos acercamos a una fogata para calentarnos, ésta nos dará calor, que es una forma de recibir energía. En cambio, si nos alejamos del fuego, el aire frío de la noche nos quitará la energía obtenida en forma de calor.
Calentar un objeto implica entregarle energía, y enfriarlo significa quitarle energía. A este tipo de energía que se transfiere de los objetos más calientes a los más fríos se la llama calor o energía térmica.
ENERGIA RADIANTE: todos los cuerpos que tienen luz propia, como el Sol, las lamparitas eléctricas, los faroles a kerosén o las velas, envían energía con sus radiaciones al medio que los rodea. La luz es so- lamente un tipo de radiación: precisamente, la que resulta visible al ojo humano. Pero existen otras ra- diaciones invisibles que también transportan energía: los rayos X que nos aplica el radiólogo, las micro-
ondas de los hornos, las ondas que emiten las estaciones de radio y televisión, los rayos ultravioleta de los que nos protegemos con filtros y bronceadores, etc. Aunque no podamos verlo, todos los objetos emiten energía radiante en una proporción que depende de su temperatura.
ENERGIA CINETICA: todo cuerpo en movimiento, aún aislado, posee energía. A este tipo de energía se la llama cinética.
El viento (que aire en movimiento); las olas del mar; un río o una cascada (que son agua en movimiento); cualquier sonido (que es aire en movimiento); un león corriendo o un águila volando, tienen energía ciné- tica.
Para tener una idea de qué es exactamente la energía cinética, piensen en la siguiente pregunta: ¿qué causará más destrozos en un choque: una motocicleta yendo a 40 km/h o un auto yendo a la misma velo- cidad?. Evidentemente, el auto produce un efecto mayor al chocar, aunque se mueva con la misma rapi- dez. Esto se debe a que su masa es mayor que la masa de la motocicleta. Y la energía cinética de un cuerpo en movimiento depende de su velocidad y también de su masa.
Existe una expresión sencilla que nos permite calcular la energía cinética de una cuerpo de masa m que se mueve con velocidad v:
Ec = ½ . m . v
2Debemos destacar que la Ec es una magnitud escalar y mayor o igual a cero. El único caso en que la energía cinética se anula es cuando el móvil no tiene velocidad. Dos cuerpos que se mueven con la misma rapidez pero en direcciones distintas, tienen la misma energía cinética.
Si la masa de la motocicleta es 120 kg y la masa del auto es 1.000 kg, sus energías cinéticas serán (para obtener el resultado en J, pasamos la velocidad de km/h a m/s):
Ec = ½ . 120 kg . (11,11 m/s)
2= 7.407 J
Ec = ½ . 1000 kg . (11,11 m/s)
2= 61.727 J
La materia en ciertas condiciones tiene la capacidad de hacer trabajo. Por ejemplo: Un cuerpo pesado y suspendido a gran altura puede hacer trabajo sobre un pilote si se deja caer sobre él.
Un resorte comprimido puede disparar un proyectil.
Una caída de agua puede hacer trabajo al mover una turbina.
El cuerpo pesado y suspendido y el resorte comprimido tienen energía de posición (Ep), en tanto que la caída de agua tiene energía en movimiento (Ec). Esta capacidad para hacer trabajo se llama energía. La energía mecánica existe en dos formas: la energía de posición o energía potencial (
E
pP h.
) y laenergía de movimiento o energía cinética (
1
2.
2
cE
m v
).Al tomar un martillo para clavar, se realiza lo siguiente:
1. Al elevar el martillo una cierta distancia se efectúa un trabajo so- bre el martillo.
2. La posición del martillo ha cambiado debido al trabajo realizado sobre él, o sea que la energía potencial del martillo ha aumentado respecto de su posición original (posición A) Entonces:
Ep = m g h
Esta energía potencial (Ep) se transforma en energía cinética (Ec) cuando al bajar (al moverse) el martillo golpea al clavo, haciendo trabajo sobre éste. Un cuerpo con energía cinética hace trabajo sobre otro cuerpo cuan- do es detenido por éste o cuando se disminuye su velocidad.
Consideremos un cuerpo de masa m que cae libremente desde una cierta altura h. Analizamos la variación de la energía cinética y la energía poten- cial del cuerpo en los tres casos.
Problemas:
1. Calcular la energía potencial almacenada en un tanque con 1500 litros de agua, situado a 10 m de altura respecto del suelo.
2. Hallar la energía cinética de una bala de 200 g cuya velocidad es de 300 m/s.