Fuerza y energía mecánica.

Fuerza.

¿Qué es la fuerza?

FUERZA: Magnitud capaz de modificar el estado de reposo o de movimiento de un objeto o partícula y se mide en Newtons (N).

El N (Newton) es la cantidad de fuerza aplicada durante  un segundo a una masa de un kilogramo para que adquiera la velocidad de un metro por segundo.

Una fuerza:

• Describe la intensidad de las interacciones entre los objetos.
• Tiene estrecha relación con la energía.
• Está compuesta por una magnitud y una dirección.
• Se representa mediante un vector.
• Es una magnitud vectorial, no escalar.

Para poder definir o representar una fuerza, se utilizan vectores (segmento de una línea recta en un espacio vectorial) y cada vector requiere de una magnitud (intensidad de la fuerza y se representa mediante la longitud de la flecha), dirección (señala la línea de acción del vector, o bien, el ángulo en el que se aplica la fuerza respecto de un eje) y sentido (indica hacia donde se aplica la fuerza).

Algunos tipos de fuerza:

• Fuerza de fricción. Es la que se opone al cambio de movimiento de los cuerpos, ejerciendo una resistencia a modificar el estado de reposo, o de movimiento. Esta fuerza siembre actúa en dirección contraria a la fuerza aplicada y se manifiesta como estática o cinética.
• Fuerza gravitatoria. Es la fuerza que ejerce la masa de los cuerpos sobre los objetos cercanos, atrayéndolos hacia sí. Esta fuerza es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
• Fuerza electromagnética. Fuerza de atracción y repulsión que se genera por la interacción de los campos electromagnéticos. Combina fuerzas eléctricas (cargas en reposo) y magnéticas (cargas en movimiento), siendo esencial para la estructura atómica, el enlace químico y fenómenos cotidianos como la luz.
• Fuerza de contacto. Fuerza que se ejerce a partir del contacto físico directo entre un cuerpo y otro, regido por las Leyes de Newton. Puede ser continua (empujar) o momentánea (un impacto) y se divide generalmente en la fuerza normal (perpendicular) y la fuerza de rozamiento (paralela).
• Fuerza a distancia. Fuerza que puede ejercerse sin contacto físico alguno entre los cuerpos, actuando a través del espacio como la gravitatoria, la eléctrica y la magnética.
• Fuerza nuclear fuerte. Fuerza que mantiene los núcleos de los átomos estables, conservando juntos a neutrones y protones. Mantiene unidas a las partículas subatómicas para formar partículas subatómicas más grandes.
• Fuerza nuclear débil. Fuerza responsable de la desintegración radiactiva, capaz de realizar cambios en la materia subatómica, con un alcance menor que las fuerzas nucleares fuertes. Es crucial para la desintegración radiactiva y la fusión nuclear en estrellas como el Sol.

Cuando un clavo es golpeado por un martillo, la energía se transforma de energía potencial a energía cinética para convertirse en trabajo. El martillo tiene energía potencial debido a su posición y al trabajo que se ha realizado para levantarlo. La energía se transformará cuando se deje caer el martillo.

La energía puede provenir de diferentes fuentes como el Sol, el manto de la Tierra, el viento, el agua, entre otras, de las que es importante conocer sus características particulares, para así, elegir la que mejor se ajuste a la necesidad que hay que satisfacer.

Energía mecánica, cinética y potencial.

La energía mecánica es aquella que permite que todo el universo se mueva y se conforma por la energía cinética y la energía potencial. Estas energías están relacionadas al movimiento y a la posición de los cuerpos dentro de un campo de fuerzas.

Para desplazar un cuerpo una distancia determinada es necesario ejercer una fuerza, cuya magnitud dependerá de la masa del cuerpo y de la aceleración deseada, esta fuerza provocará que el cuerpo cambie de velocidad y se desplace (se mueva). Al final, se habrá realizado un trabajo sobre el cuerpo, proporcional a la energía transferida sobre él, es decir, la energía aplicada se transforma en energía cinética para que el cuerpo se mueva.

🔍¿Qué es la energía cinética? 

La energía cinética de un cuerpo que se mueve a una velocidad constante se expresa matemáticamente:

Cuanto más grande sea un cuerpo y más rápido se esté moviendo, mayor será su energía cinética.

🔍¿Qué es la energía potencial gravitacional?

La energía potencial de un cuerpo se refiere a la energía vinculada a su posición dentro de un campo. Esta forma de energía puede transformarse de manera inmediata en otras, como la energía cinética y se categoriza según su origen en gravitatoria, elástica, química, entre otras.

La energía potencial gravitatoria se expresa matemáticamente:

🔍¿Qué es la energía mecánica?

La suma de las energías cinética y potencial, dan como resultado la energía mecánica y se expresa matemáticamente:

Por tanto, un cuerpo que se encuentra estático, a cierta altura sobre e piso, tendrá una cantidad de energía mecánica, compuesta sólo por energía potencial pues su energía cinética es cero. En el momento que e cuerpo deja de estar estático porque comienza a caer, su energía potencial se comienza a transformar en energía cinética.

A cada instante, debido a la aceleración del campo gravitatorio, más energía potencial se habrá convertido en energía cinética. La velocidad del cuerpo aumentará continuamente hasta que toda la energía potencial del cuerpo se haya transformado en energía cinética. En ese momento, la energía mecánica del cuerpo seguirá siendo la misma, pero estará compuesta solamente por su energía cinética, pues su energía potencial al haber llegado al piso y su altura es cero con respecto al suelo, será también cero. Esto sucede debido a que la energía se conserva de acuerdo a la ley de la conservación de la energía y es congruente con la primera ley de la termodinámica.