ENERGIA MECANICA

La energía mecánica es la energía que presentan los cuerpos en razón de su movimiento (energía cinética), de su situación respecto de otro cuerpo, generalmente la tierra, o de su estado de deformación, en el caso de los cuerpos elásticos. Es decir, la energía mecánica es la suma de las energías potencial (energía almacenada en un sistema), cinética (energía que surge en el mismo movimiento) y la elástica de un cuerpo en movimiento.

A través de la misma se expresa la capacidad que tienen los cuerpos con masa de realizar tal o cual trabajo.

La energía mecánica se conserva, por tanto, no se crea ni se destruye. En el caso particular de sistemas abiertos conformados por partículas que interactúan a través de fuerzas puramente mecánicas o de campos conservativos, la energía se mantendrá constante con el correr del tiempo. De todas maneras, existen casos de sistemas de partículas en los cuales la energía mecánica no se conserva.

Entre los tipos de energía mecánica se cuentan los siguientes: energía hidráulica (se dejará caer el agua y se aprovechará la energía potencial que se obtiene de ello. Su uso recurrente es para producir energía eléctrica y para mover molinos de harina), energía eólica (la producen los vientos generados en la atmósfera terrestre. También se emplea a instancias de la producción de energía eléctrica como mecanismo de extracción de aguas subterráneas o de ciertos tipos de molinos para agricultura) y energía mareomotriz (producida por el movimiento de las mareas y de las olas del mar, también se puede transformar en energía eléctrica).

ELASTICIDAD

En física, el término de elasticidad denomina la capacidad de un cuerpo de presentar deformaciones, cuando se lo somete a fuerzas exteriores, que pueden ocasionar que dichas deformaciones sean irreversibles, o bien, adoptar su forma de origen, natural, cuando dichas fuerzas exteriores cesan su acción o potencia.

Y ahora, vamos con un ejemplo. Y como hay miles, tomaremos uno bien simple: si yo agarro una banda elástica (de esa que se utilizan para sostener y atar cosas, como papeles enrollados o un puñado de lápices) tendrá cierta forma de origen que cambiará de manera drástica si con mis manos la estiro hacia ambos lados. Claramente, ha sufrido una deformación, y tiene capacidad para que esa deformación se produzca. Sin embargo, esa deformación cesará cuando yo cese la fuerza que ejerzo sobre la banda elástica, y volverá a su tamaño de origen, incluso cuando en la mayoría de los casos, tras ser sometida a este tipo de fuerzas en ocasiones reiteradas y constantes (y de magnitud considerable) podrá presentar deformaciones irreversibles, que en este caso, estarán relacionadas con un aspecto más “estirado” de la banda elástica.

  La elasticidad, es una propiedad mecánica de los sistemas, decimos que un material es elástico cuando al aplicarle una fuerza, se deforma, y, al dejar de aplicar la fuerza, vuelve a su forma original.

Los materiales que al ser deformados y dejar de aplicar la fuerza, no vuelven a su forma original, se llaman inelásticos o plásticos. 

Son materiales elásticos, un resorte, una gomita elástica, la piel, los músculos, entre otros.

Materiales plásticos, son por ejemplo un chicle, plasticina, cemento...


Todos los materiales elásticos tienen un límite de elasticidad, lo cual significa que si aplicamos una fuerza mayor al límite de elasticidad, el material queda deformado o se rompe.

Las partículas se mantienen unidas por fuerzas de atracción entre ellas, las que hacen que al separarlas vuelvan a su lugar, pero si las separamos demasiado, éstas fuerzas no son suficientes para volver a unirlas. El límite elasticidad depende de cada material.

INERCIA

“Todo cuerpo conserva indefinidamente su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme, si sobre él  no actúa ninguna fuerza que lo obligue a cambiar dicho estado".

 

A ésto se lo denomina inercia.

Cuando un bus arranca de golpe, los pasajeros que están de pie, son impulsados hacia atrás como si trataran de contrarrestar ese efecto para conservar el estado de reposo que tenían. Por el contrario, si está en movimiento y frena de golpe, los cuerpos son impulsados hacia adelante.

Estos ejemplos, ilustran la primera ley de Newton: el "principio de inercia".

 

La inercia es la resistencia al cambio. Cuanto mayor es la masa del cuerpo, mayor es su inercia.

La inercia en Física designa a la incapacidad de los cuerpos para salir del estado de reposo o de movimiento o variar las condiciones de ese movimiento, en forma independiente de una fuerza exterior.

La primera ley de Newton, que sienta el principio de inercia, nos explica que un cuerpo en reposo o en movimiento, ya sea uniforme o rectilíneo, permanecerá en estado de reposo o conservará cuantitativamente su movimiento, si las fuerzas que actúan sobre él desde el exterior son iguales a cero. La inercia es proporcionalmente directa a la masa del cuerpo.

La cantidad de masa y el tensor de inercia son los factores de los que depende la inercia mecánica, que es la antes definida. La que se relaciona con la masa total del cuerpo se denomina inercia traslacional, y la relacionada con el eje de GIRO, en cuanto a como se distribuye la masa del cuerpo, se denomina rotacional.

Otro tipo de inercia es la térmica que es la propiedad  de los cuerpos para conservar el calor e ir liberándolo en forma gradual, evitando de esta manera grandes variaciones térmicas. Depende de la masa, del calor específico y de la densidad del cuerpo. El suelo es un elemento natural de gran inercia térmica. Se usa mucho en construcción con respecto a la climatización de los ambientes. Si la inercia térmica es mucha, también lo será la estabilidad térmica.

MOVIMIENTO

Se dice que un cuerpo se mueve cuando cambia su posición respecto de la de otros supuestos elementos fijos, o que se toman como referencia para tal fin.

El movimiento es, por tanto, un cambio de posición que se manifiesta con el tiempo.

El carácter relativo del movimiento

De acuerdo con la anterior definición, para estudiar unmovimiento es preciso fijar previamente la posición del observador que contempla dicho movimiento. En física hablar de un observador equivale a situarlo fijo con respecto al objeto o conjunto de objetos que definen el sistema de referencia. Es posible que un mismo cuerpo esté en reposo para un observador -o visto desde un sistema de referencia determinado- y en movimiento para otro.

Así, un pasajero sentado en el interior de un avión que despega estará en reposo respecto del propio avión y en movimiento respecto de la pista de aterrizaje. Una bola que rueda por el suelo de un vagón de un tren en marcha, describirá movimientos de características diferentes según sea observado desde el andén o desde uno de los asientos de su interior.

El estado de reposo o de movimiento de un cuerpo no es, por tanto, absoluto o independiente de la situación del observador, sino relativo, es decir, depende del sistema de referencia desde el que se observe.

El concepto de cinemática

Es posible estudiar el movimiento de dos maneras:

a) describiéndolo, a partir de ciertas magnitudes físicas, a saber: posición, velocidad y aceleración (cinemática);
b) analizando las causas que originan dicho movimiento (dinámica).

En el primer caso se estudia cómo se mueve un cuerpo, mientras que en el segundo se considera el porqué se mueve.

La cinemática es la parte de la física que estudia cómo se mueven los cuerpos sin pretender explicar las causas que originan dichos movimientos.

El concepto de trayectoria

Para simplificar el estudio del movimiento, representaremos a los cuerpos móviles por puntos geométricos, olvidándonos, por el momento, de su forma y tamaño.

Se llama trayectoria a la línea que describe el punto que representa al cuerpo en movimiento, conforme va ocupando posiciones sucesivas a lo largo del tiempo. La estela que deja en el cielo un avión a reacción o los raíles de una línea de ferrocarril son representaciones aproximadas de esa línea imaginaria que se denomina trayectoria.

La trayectoria es la línea casi siempre imaginaria descrita por el cuerpo móvil a lo largo de su movimiento. Su forma permite una clasificación muy general en curvilíneos y rectilíneos.

Según sea la forma de su trayectoria los movimientos se clasifican en rectilíneos y curvilíneos. Un coche que recorra una calle recta describe un movimiento rectilíneo, mientras que cuando tome una curva o dé una vuelta a una plaza circular, describirá un movimiento curvilíneo.

MASA

La masa es una de las magnitudes fundamentales de la física.

La masa de una estrella

De hecho, muchos fenómenos de la naturaleza están, directa o indirectamente, asociados al concepto de masa.

Un primer acercamiento al concepto de masa se puede expresar al decir que “masa es la cantidad de materia que tiene un cuerpo”.

Entender esa afirmación requiere, sin embargo, conocer  el concepto demateria.

Los científicos suelen definir materia como todo aquello que posee inercia, y aquí aparece el concepto de inercia.

Por el momento, solamente diremos que un cuerpo tiene inercia si para modificar su estado, entiéndase como cambiar su movimiento, requiere de que sobre él se aplique una fuerza neta. Una fuerza que tenga un valor distinto de cero.

La fuerza aplicada a una masa.

Materia, entonces, al ser todo aquello que posee inercia, sería todo aquello que requiera una fuerza para detenerse o iniciar su movimiento…,  ahora aparece el concepto de fuerza.

Por lo visto, para hablar de materia, debemos referirnos, necesariamente, a otros conceptos, pues bien, sigamos con lo más básico entonces.

Una porción de materia, que también vendría a ser una porción de masa, se puede reducir a la más pequeña de sus partículas que la componen, y nos encontraríamos con los átomos. Los átomos son, por el momento, la unidad de la materia. Una materia o una masa cualquiera es –al final de cuentas– una cierta cantidad de átomos (muchos átomos con toda seguridad).

A modo de curiosidad: una persona de 70 kg de masa tendría, aproximadamente: 3,41 x 10²⁸ electrones, 3,41 x 10²⁸ protones y 7,76 x 10²⁷ neutrones.

Ahora, la materia más común que nos rodea está formada por al menos dos tipos de materiales diferentes, que combinados dan origen a una mezcla. Por ejemplo, en la etiqueta de una camisa podemos leer que la tela tiene 70 por ciento y  30 por ciento poliéster. Ahí tenemos una mezcla.

Hombre promedio: 70 kilogramos de masa.

Las mezclas pueden ser homogéneas o heterogéneas. Si la materia de la mezcla no está distribuida uniformemente, la mezcla es heterogénea, y si está distribuida uniformemente entonces es una mezcla homogénea.

Una mezcla homogénea puede ser de dos tipos: homogénea propiamente tal, si está compuesta por al menos dos materiales en una distribución uniforme o, una sustancia si la materia que compone a la mezcla es la misma en todas sus partes, en este caso la materia es pura en la naturaleza y ésta puede ser: un compuesto, formado por dos o más tipos de átomos o un elemento, formada por un solo tipo de elemento (corresponde a una materia formada por algún elemento químico, de esos que están en la Tabla Periódica).

Como ven, entender el concepto de masa, no es tan simple, requiere más conocimientos para ser rigurosamente precisos.

Pero, si pensamos que el concepto de masa se va a enseñar a niños pequeños, que les falta aún madurez para su formación intelectual, entonces debemos hacer algunos supuestos y pasar por alto algunas cosas.

Todas las cosas son masa.

A partir de ejemplos de masa podemos llegar. ¿Qué es masa?...  casi todas las cosas que nos rodean son masas, algunas masas se pueden ver y otras no se pueden ver.

Una piedra o un ladrillo o una persona,  las podemos ver y son masas, el aire no lo podemos ver pero está compuesto de masa, masa compuesta de partículas materiales muy pequeñas, que son imposibles de ver si no usamos un microscopio bien poderoso.

La masa se mide en kilogramos ¿y el peso?

La unidad de medida de masa es el kilogramo, también se usa el gramo, donde un gramo es la milésima parte de un kilogramo (1 gr = 0,001 kg).

En las transformaciones en el universo como traspasos, transporte, transferencia de materia la masa involucrada permanece constante.

La masa es una magnitud medible, la materia aparte de ser algo concreto también se puede expresar como una explicación cualitativa de un cuerpo cualquiera.

Podemos decir características de una materia, por ejemplo, podemos decir que en la naturaleza se encuentra en tres estados posibles, visibles o “sensorialmente” captables: sólido, líquido y gas.

Una materia puede ser dúctil, flexible, rígida, etc., puede ser salada, dulce, etc.

La masa es la medida, en kilogramos o gramos e incluso toneladas, de una cierta cantidad de materia. 1 kilogramo de pan, por ejemplo.

Energía por temperatura

Energía Termoeléctrica

Concepto             A diferencia de la térmica habitual, la termoeléctrica –o térmica de alta temperatura– agrupa un conjunto de tecnologías orientadas a producir electricidad y no calor. Se trata de un sistema de producción eléctrica muy nuevo que se halla en los inicios de su posible desarrollo comercial y que todavía opera de un modo prácticamente experimental. Orígenes             Son lejanos en el tiempo, pues su primera aplicación data de 1860, fecha en que se logró convertir vino en coñac gracias a la destilación solar. Básicamente, consiste en concentrar la luz solar mediante espejos (helióstatos), cilindros o discos parabólicos para alcanzar altas temperaturas (más de 400 º C), que se utiliza para generar vapor y activar una turbina que produzca electricidad. Claves: • Elevada radiación directa. • Régimen económico que permite la viabilidad de los proyectos mediante tarifas reguladas y primas a la producción de energía. • Apoyo de la PSA (Plataforma Solar de Almería). Centro puntero en innovación de esta tecnología solar. • Experiencia en la ejecución de proyectos. • Industria específica del sector en proceso de implantación. • Planes específicos para el desarrollo de proyectos innovadores. • Más de 2000 MW inscritos de forma provisional en el Registro de Instalaciones de Producción de Energía Eléctrica en el Régimen Especial.             Las primas son las siguientes (subgrupo b.1.2: instalaciones que utilizan únicamente procesos térmicos para la transformación de la energía solar, como energía primaria): Si venden a la distribuidora: Tarifa: regulada: 26,9375 c€/KWh (primeros 25 años desde su puesta en servicio) y 21,5498 c€/KWh ( a partir de entonces) Si venden al mercado: Prima: 25,4000 c€/KWh (primeros 25 años desde su puesta en servicio) y 20,3200 c€/KWh ( a partir de entonces)                                          Limite superior: 34,3976 c€/KWh                                          Limite inferior: 25,4038 c€/KWh             Los límites son para la suma del precio horario del mercado diario, más la prima de referencia. Es decir, la prima a recibir en cada hora queda acotada entre estos valores. Objetivo de potencia instalada: 500 MW.             Actualmente, mes de octubre (según informe CNE -mes de octubre), únicamente hay 11 MW de potencia instalada en España.          En el ámbito de la investigación, destaca la Plataforma Solar de Almería, como único centro con experiencia en proyectos termoeléctricos de alta temperatura. La energía solar termoeléctrica se clasifica en: SISTEMAS DE MEDIA TEMPERATURA. Desarrolladas a nivel comercial. Corresponden a centrales con colectores cilindro-parabólicos. SISTEMAS DE ALTA TEMPERATURA. Se realizan mediante centrales de torre y centrales de generadores disco parabólicos colectores cilindro-parabólicos: Centrales de torre: Formado por un campo de helióstatos que, mediante el seguimiento solar en dos ejes, reflejan la radiación sobre un intercambiador de calor situado en la parte superior de una torre central. Generadores disco parabólicos: Un conjunto de espejos que forman una figura disco-parabólica que siguen al sol en dos ejes con gran precisión y en cuyo foco se dispone el receptor solar, en el que se calienta el fluido (700ºC). Ese vapor produce electricidad. Aspectos Ambientales La gran ventaja medioambiental:              Generar electricidad de la misma forma que las centrales convencionales, pero utilizando la radiación solar concentrada.             Se trata de una tecnología que puede producir grandes cantidades de energía sin impactos en el medio físico, ni sobre los suelos, ni sobre la calidad del aire. Repercusiones: Efecto visual / Ocupación de terrenos. Importante: Reversibilidad.

Energía por calor

Otro método de producir electricidad es mediante calor aplicado a la unión o junta de dos metales distintos (par térmico), por ejemplo cobre y hierro.

Este fenómeno se puede demostrar retorciendo entres si dos hilos, uno de cobre y otro de hierro, y calentando esta unión. Si se conecta un voltímetro entre los extremos fríos indicará que la corriente fluye a través de los dos hilos.

La corriente suministrada por un par térmico es muy pequeña, pero resulta práctica para su uso en dispositivos sensores de temperatura de precisión.

Características del par térmico

Cuando un hilo de metal, tal como el cobre, se calienta por un extremo, los electrones tienden a moverse desde el lado caliente hacia el más frío. Esto sucede en la mayoría de los metales. Sin embargo, en algunos, tales como el hierro, sucede lo contrario, es decir, los electrones tienden a moverse del lado frío al más caliente.

A una unión de este tipo se le denomina par térmico, termopar o termocupla, y puede producir electricidad tanto tiempo como se le esté aplicando calor. Aunque dos hilos trenzados forman un par térmico, es mucho más eficiente uno construido con dos piezas de metal remachadas o embutidas una en la otra.

Calentando las uniones de dos metales distintos se produce una fuerza electromotriz entre sus extremos fríos

Los pares térmicos tienen más capacidad de producción de energía que los cristales, pero es todavía muy pequeña si se la compara con la que aportan otras fuentes de energía. El voltaje termoeléctrico depende, principalmente, de la diferencia de temperatura entre la junta y los extremos opuestos de los dos hilos; a mayor diferencia de temperatura mayor será el voltaje obtenido.

Aplicaciones del par térmico

Los pares térmicos son ampliamente utilizados para medir temperaturas, y como sensores en el control automático de temperatura de los equipos electrónicos. El controlador de temperatura del motor de un coche es un ejemplo del uso práctico del par térmico.

Generalmente se usan pares térmicos para medir temperaturas cuando son muy altas, y en donde son inviables los termómetros ordinarios de mercurio o alcohol. Otro ejemplo de empleo del par térmico son los termómetros electrónicos para medir la temperatura corporal, o los utilizados en la cocina profesional.