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La ley de conservación de la energía

Platicamos sobre cómo la energía no se puede crear ni destruir en un sistema aislado, y trabajamos con un ejemplo de cómo la energía se transforma cuando una pelota cae hacia la Tierra.

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Transcripción del video

y emoción en sí porque en este vídeo hablaremos de una de las leyes más importantes de toda la ciencia la ley de la conservación de la energía se asombrarán por lo mucho que podemos inferir en el universo basándonos en la ley de la conservación de la energía se asombrarán de cuantas interrogantes se han explicado en la ciencia ficción basándose en la ley de la conservación de la energía empecemos con el lenguaje que comúnmente podemos encontrar y después tratemos de entenderlo a un nivel más profundo aquí nos dicen que la energía total de un sistema aislado es constante la energía no se crea ni se destruye sólo se transforma de una forma a otra o se transfiere de un sistema a otro prácticamente subraya toda la definición porque todo es muy importante para entender esto pensemos en los tipos de energía que hemos estudiado ya hemos estudiado la energía cinética que es la energía que poseen los objetos en movimiento también hemos hablado de la energía potencial que la podemos ver cómo la energía asociada a la posición de un cuerpo en reposo y a la combinación de estos dos tipos de energías se le conoce como energía mecánica energía mecánica cuando estudiamos física por primera vez estos son los dos tipos de energías en las que nos enfocamos pero existen otros tipos de energías existe la energía térmica la energía nuclear la energía química así que como estas energías no son las únicas puede ser que en algún caso la energía cinética se transforme en energía química pero no hablaremos de esos tipos de energía en este vídeo para entender mejor todo esto primero pensemos en cómo se puede conservar la energía mecánica podemos verla como la ley de la conservación de la energía mecánica pero después haremos las cosas un poco más complicadas y veremos si podemos desafiar de alguna manera a la ley de la conservación de la energía así que deben de ser muy escépticos de cualquiera que afirme que puede desafiar a la ley de la conservación de la energía bueno empecemos con un sistema que consiste en una pelota que cae a la superficie del planeta tierra vamos a llamarlo sistema tierra pelota cuando trabajamos con la ley de la conservación de la energía es importante que especificamos el sistema y vamos a suponer que este es un sistema aislado que no interactúa mucho con otros sistemas externos como el sol o algo por el estilo entonces aquí ha dibujado la superficie terrestre pero ahora vamos a dibujar nuestra pelota supongamos que la pelota se encuentra aquí inicialmente en la pelota se encuentra en reposo y vamos a suponer que aquí no hay aire entonces mientras la pelota se encuentra en reposo la energía total es potencial la podemos llamar energía potencial gravitacional entonces toda la energía es potencial el símbolo de la energía potencial es mayúscula y podemos decir que esta es la energía potencial gravitacional también podemos decir que no hay energía cinética no hay energía cinética si hablamos de nuestro sistema en general es decir si en este caso hablamos del sistema solar o algo parecido sabemos que la tierra órbita alrededor del sol y a su vez el sol órbita alrededor del centro de la galaxia por eso es que tenemos que ser muy específicos este es un sistema en el que estudiamos una pelota en el planeta tierra ahora qué pasa si dejamos caer la pelota y especialmente qué tipo de energía predomina en la pelota justo cuando ésta toca el suelo bueno para eso vamos a suponer que toca el suelo y no rebota porque eso complicaría mucho las cosas entonces en este caso podemos decir que si dejamos caer la pelota instantáneamente ya no tenemos energía potencial gravitacional y justo cuando la pelota toca el suelo justo en ese momento tiene mucha energía cinética así que la energía total es cinética en este caso podemos ver que justo cuando la pelota toca el suelo toda la energía potencial se transforma en energía cinética y tal vez se estén preguntando pero qué pasa después de ese momento bueno si esta pelota no rebota y solamente se queda ahí pareciera que la pelota ya no tiene energía como si la energía hubiera sido destruida pero me gustaría preguntarles a ustedes donde se fue esa energía no sé en el vídeo y piénsenlo un poco tal vez algunos de ustedes digan una vez que la pelota golpea el suelo se queda en reposo entonces tal vez hemos encontrado un caso que desafía a la ley de la conservación de la energía bueno recuerden sean muy escépticos sobre cualquiera que alguna vez les diga eso en este caso la energía más bien se ha disipado se convirtió en calor pudo haberse transformado en energía térmica así que la pelota y el suelo se calientan debido a esa energía cinética que justo cuando la pelota toca el suelo se convierte en energía térmica por lo tanto no hemos desafiado a la ley de la conservación de la energía ahora otra cosa que podemos decir es que imaginando un mundo en el que tenemos aire voy a dibujar algunas partículas de aire por aquí sabemos que conforme la pelota cae al suelo esta pasa a través del aire así que podemos considerar la resistencia del aire como algunos le llaman fricción por el aire bueno eso haría que la caída de la pelota fuera más lenta por lo que al caer no existiría tanta energía cinética entonces parecería que en esa situación la energía cinética es destruida pero nuevamente mi respuesta es no la energía cinética no se destruye conforme la pelota cae porque en realidad eso calienta la pelota y al aire que se encuentra alrededor así que la resistencia del aire actúa como una fuerza de rozamiento o fricción que disipa la energía cinética y resulta en la generación de energía térmica pero si queremos escribir esto como una ecuación hay un par de formas en las que podemos hacerlo vamos a ver si únicamente escribimos la ley de la conservación de la energía mecánica sin hablar de la fuerza de rozamiento o fricción podemos decir que la energía cinética inicial la energía potencial inicial es igual a la energía cinética final más la energía potencial final otra forma de escribir esto es diciendo que el cambio de energía cinética más el cambio de energía potencial es igual a cero suponiendo que no tenemos ninguna fuerza de fricción y que no se transforma en otras fuerzas como la energía química o la energía térmica pero si quisiéramos incluir las fuerzas de fricción que disipan la energía entonces es importante decir que este tipo de fuerzas generan algo conocido como trabajo no conservativa y podemos decir que realizan un trabajo negativo porque la fuerza de fricción siempre actúa en la dirección opuesta al movimiento vamos a reescribir estas ecuaciones aquí vamos a escribir la energía cinética inicial más la energía potencial inicial más cualquier trabajo realizado por cualquier fuerza no conservativa como es el caso de la resistencia del aire o la fricción esto será negativo y esto es igual a la energía cinética final más la energía potencial final o en este caso podemos escribirlo como el cambio de energía cinética más el cambio de energía potencial y eso es igual al trabajo realizado por las fuerzas de rozamiento o fricción y recuerden que como estamos hablando de una fuerza de fricción esto será negativo otra forma en la que podríamos haber pensado esto sería en términos de la energía térmica en este caso podríamos decir que el cambio de la energía cinética más el cambio de la energía potencial más el cambio de la energía térmica es igual a cero o podríamos incluir el trabajo realizado por la fuerza de fricción bien así que si por ejemplo nos encontramos con una situación en donde el cambio total de energía mecánica fuera negativo no podemos definir la ley de la conservación de la energía porque en ese caso no es que la energía fuera destruida sino que tenemos este trabajo negativo realizado por las fuerzas de fricción pero a dónde se va esa energía bueno la energía simplemente se transforma en energía térmica hagamos algunos ejemplos para entenderlo mejor hagamos un sistema tierra péndulo aquí tenemos el suelo y después tenemos una especie de torre de la que cuelga nuestro péndulo aquí tenemos el péndulo y en el punto más bajo la pelota llega aquí y después vuelve a subir y supongamos que la diferencia de altura entre este punto y este es igual h entonces podemos decir que este es el punto más alto al que llegará el péndulo así que en este punto tenemos la energía potencial máxima porque justo cuando va a cambiar su dirección no hay energía cinética ya que el péndulo se queda estático por un momento pero después el péndulo regresa y cuando pasa por este punto todo energía potencial se ha convertido en energía cinética claro suponiendo que parte de la energía no se ha disipado en otras formas como la fuerza de fricción y después toda esa energía cinética se convierte nuevamente en energía potencial otro ejemplo que podemos analizar y que complica a este un poco más es pensar en un sistema tierra pelota resorte aquí tenemos la superficie terrestre después tenemos el resorte y por acá tenemos a la pelota que empieza en estado estacionario así que podemos decir que inicialmente la energía total es potencial gravitacional y suponiendo que no tenemos ninguna resistencia del aire dejamos caer la pelota y justo antes de que ésta toque el resorte es decir cuando alcanza la velocidad máxima ahora toda la energía cinética pero después la pelota comprime el resorte y suponiendo que no tenemos ninguna generación de energía térmica pero no olviden que en el mundo siempre hay generación de energía térmica si este resorte se comprime y la pelota llega a este punto entonces podemos decir que una parte de la energía se ha convertido en energía potencial elástica porque al comprimir el resorte en algún momento regresará a su posición original y la energía volverá a transformarse en energía cinética y la energía potencial gravitacional nos vemos en otro vídeo