Represa hidroeléctrica
La altura del agua determina U gravitatoria del sistema agua–Tierra. Al bajar, puede mover turbinas.
Fuerzas conservativas, energía potencial y conservación de la energía mecánica.
Una analogía para hablar de fuerzas conservativas.
Un viaje largo puede gastar más gasolina. El trabajo de una fuerza conservativa sigue otra regla.
El trabajo entre dos puntos depende solo de las posiciones inicial y final, no de la trayectoria seguida.
En ambos: Wg = mg(hA − hB) = 78,4 J.
Entre las mismas alturas: el mismo trabajo.
Caída, rampa o arco: Wg = mg(hi − hf). No depende del camino.
Misma deformación x: la misma fuerza.
Fuerza en newtons (N) · k en N/m · x en m. El signo − indica el sentido hacia el equilibrio.
Al volver al punto inicial, el trabajo total de la fuerza conservativa es cero.
Wc = 0Al deslizar un bloque sobre una superficie rugosa, el trabajo del roce depende del recorrido. Parte de la energía mecánica pasa a térmica.
Estas fuerzas permiten definir una energía potencial del sistema, medida en julios (J).
Wc = −ΔULa energía potencial pertenece al sistema. Puede coexistir con el movimiento.
U se mide en julios (J). Cerca de la superficie terrestre, g ≈ 9,8 m/s². La altura se mide desde un nivel elegido.
Comprimir o estirar almacena energía: x² nunca es negativo. En este ejemplo, k = 100 N/m.
Lo relevante es el cambio ΔU. El cero de energía potencial se elige como referencia.
Permite anticipar transformaciones y diseñar sistemas.
La altura del agua determina U gravitatoria del sistema agua–Tierra. Al bajar, puede mover turbinas.
Al tensarlo se deforma el arco. Parte de su energía elástica se transfiere a la flecha.
Su altura respecto al agua determina la energía potencial gravitatoria del sistema.
Al bajar, U disminuye y K aumenta. Al subir ocurre lo contrario.
Inicio, descenso y nueva subida: cambia el reparto, se mantiene la suma.
Solo las fuerzas conservativas realizan trabajo. En la pista fija, la normal no realiza trabajo.
Esquema de tres instantes del mismo carrito. En C aún se mueve; idealmente puede volver a alcanzar 5 m.
U máxima · K = 0
U = 0 · K y rapidez máximas
U aumenta · K y rapidez disminuyen
¿Qué rapidez tendrá en B y en C?Ahora lo comprobaremos en la pista.
Tres posiciones.
Una misma energía total.
En A: reposo. Los 98 J son energía potencial.
U + K = 98,00 J en todo el recorrido.
Modelo ideal: g = 9,8 m/s²; carrito puntual en pista fija, sin rotación de las ruedas ni resistencia del aire. La fuerza normal no realiza trabajo. Referencia de U en el punto más bajo.
Experimento listo.
Las fuerzas conservativas permiten definir una energía potencial.
Cuando solo las fuerzas conservativas realizan trabajo, K y U pueden transformarse entre sí, pero la energía mecánica total permanece constante.
En el modelo ideal, cambia el reparto.
La suma se conserva.
Modelo del laboratorio: carrito puntual en una pista cicloidal fija. Su forma permite calcular el movimiento y el balance energético sin errores acumulativos de integración. La normal no hace trabajo; se omite la rotación de las ruedas. Con fricción se usa una resistencia idealizada proporcional a la velocidad; la energía mecánica perdida se contabiliza como térmica. Cambiar fricción reinicia la comparación desde la misma altura.
Fuente: OpenStax · University Physics, vol. 1 · capítulo 8, secciones 8.1–8.3: energía potencial, fuerzas conservativas y conservación de la energía.