La Energía (I, energia y movimiento)

Hoy toca filosofar un poco acerca del concepto de energía. 

De joven estudiante me tocó resolver muchos problemas relacionados con este asunto desde un punto de vista físico y matemático… pero, la verdad, es que no me resulta fácil definirlo en términos lingüísticos, lógicos o filosóficos.

Voy a hacer un repaso previo, como siempre, de las nociones que tengo en mente, luego iré repasando literatura.

Definición de Energía

Lo primero que me viene a la cabeza es que la energía es un valor numérico variable asociado a un cuerpo (o un “sólido rígido” como tambien le llaman).

Un “cuerpo”… Buenooo… Podríamos decir una “Masa”, o un conglomerado de átomos y/o moleculas.

Digamos, de momento, que la energía sea un valor numérico asociado a una masa… Digo “de momento”, porque, creo recordar, la energía electromagnética se transmite sin ir asociada a una masa, o a una partícula. También tenemos sobre la mesa la famosa ecuación de einstein E=m*c², que ahora no recuerdo muy bien el sentido, pero venia a decir que la masa es una forma de energía, energía sólida, o energía cristalizada.  Luego llegaremos a ésto, de momento sigamos con el ecosistema newtoniano. (Newtonianos son sistemas donde las cosas se mueven a velocidades pequeñas en comparación con la de la luz y donde las fórmulas de Einstein no tienen relevancia)

Entonces, estábamos diciendo que la energía es un valor numérico asociado a una masa en un momento dado.

Concepto de Masa

Antes de seguir, detengámonos en el concepto de “masa”.

Una masa está constituida por un conglomerado de átomos, cada uno de los cuales tiene una masa atómica. O sea, la masa de un cuerpo sería la suma de masas atómicas de todos los átomos que la forman. O sea: tenemos de nuevo un valor numérico asociado a cada átomo, a cada conglomerado de átomos.

El peso y la gravedad


Otro enfoque, o definición, es la que relaciona masa con peso. El peso se refiere a la fuerza de atracción que experimenta una masa al situarse en un campo gravitatorio. En realidad todas las masas, todos los cuerpos se atraen entre sí. Una atracción que también viene expresada numéricamente, y calculable por la fórmula F=K*m1*m2/d².  O sea, que la atracción es mayor cuanto mayores sean las masas y cuanto menor sea la distancia. Cabe señalar que esta atracción sólo es relevante cuando las masas en juego son enormes, o al menos lo es una de ellas. Enorme como un planeta, por ejemplo. Entonces, pues éso, sólo es relevante cuando nos referimos a la atracción que un planeta ejerce sobre pequeños objetos situados sobre su superficie, o sobre otros grandes planetas situados a mayores distancias.

Aquí, de momento, vamos a retener la idea de que una misma masa tiene pesos distintos en planetas distintos y que el peso se va reduciendo a medida que se distancia de la superficie del planeta.

Y ahora vamos a retomar el hilo de la Energía, que habíamos comenzado definiendo con un valor numérico asociado a un cuerpo, a una masa, variable en el tiempo.

En rigor, es de suponer que la fuerza gravitatoria es una fuerza de atracción entre átomos. Y que cada uno de los átomos del “cuerpo” en cuestión es atraído por cada uno de los átomos del planeta, siendo la fuerza resultante el sumatorio de cada una de las parciales.

El “cuerpo”- portador de energía

Para facilitar la visualización vamos a suponer que la masa se encuentra en estado sólido. Una bola de billar, por ejemplo. Pero sin olvidar que existen los estados líquidos y gaseosos con las mismas propiedades y con sus peculiaridades características. Líquidos y gases, igualmente, están sujetos a la fuerza gravitatoria, aunque con unas propiedades que pueden despistar. Un globo lleno de gas asciende hacia arriba, pareciendo escapar a la fuerza gravitatoria, de modo similar un corcho sumergido en el mar asciende hasta la superficie.

Estos ejemplos no cuestionan la ley de la gravedad (o sea, la atracción de la Tierra) . Lo que ocurre es que entran en juego otras fuerzas. Suele decirse que “todo cuerpo sumergido en un fluido experimenta un empuje hacia arriba equivalente al peso del volumen de fluido desalojado”. O sea, una botella vacía de plástico de dos litros sumergida en agua experimentará un empuje hacia arriba de dos kilos (el litro de agua pesa un kilo, y la botella y el aire unos pocos gramos). Algo similar ocurre cuando hinchamos un globo de dos litros con un gas ligero (Helio, por ejemplo). Experimenta un empuje equivalente al peso del aire desalojado. Ahora mismo no sé cuánto pesa un litro de aire ni de gas ligero a presión ambiental (me chivan que siete veces menos que el aire) pero tampoco nos importa ahora. Lo importante es retener que 1)  la fuerza de atracción gravitatoria se refiere a cuerpos atrayéndose en el vacío. 2) cuando el cuerpo en cuestión se sitúa dentro de la atmósfera planetaria (aire, por ejemplo) experimenta un empuje hacia arriba (también un rozamiento)  3)  para cuerpos sólidos, pesados, el empuje hacia arriba es relativamente irrelevante 4) la gravitación concierne igualmente a líquidos y gases, pero sus peculiaridades pueden despistar la intuición: por ejemplo, si un litro de agua va adecuadamente embotellada se comporta como un solido. En cuanto a gases, si lo metemos en un globo… Como decía, asciende  a causa del empuje… Sólo en un planeta sin atmósfera lo veríamos caer normalmente.

Entonces, pues éso, que en principio vamos a visualizar y trabajar con cuerpos sólidos-rígidos, pero sabiendo que lo mismo se aplica a fluidos y gases.

Movimiento y Energía cinética

Y, bueno, volvamos a la energía.

Estábamos diciendo que la energía era un valor numérico asociado a un cuerpo, o a una masa. Un valor variable en función del tiempo… pero ¿qué más podemos concretar?

En las primeras lecciones académicas sobre la energía se comenzaba hablando de la energía cinética de cuerpos en movimiento.

La Energía cinética se calculaba a partir de la fórmula Ec=½*m*v², creo recordar. Siendo m la masa del cuerpo, y v la velocidad. Ahora mismo no recuerdo de donde sale la fórmula, pero ya tenemos una indicación para acercarnos al sentido intimo de la “energía”. La energía se relaciona con el movimiento: a mayor velocidad  mayor energía. A mayor masa mayor energía… pero sólo si  el cuerpo está en movimiento. Pongamos por ejemplo un coche de 1000 kilos, circulando a  10 metros por segundo (30 kmts por hora) A su lado una bici de 100 kilos, conductor incluido, circulando a la misma velocidad.

(36 kmts/h= 36.000/3600 mts/s = 10 mts/seg)
Ec1= 1/2*1000*10²=50.000

Ec2=½*100*10²=5.000

Pero, ¿porqué elevar la velocidad al cuadrado y dividirlo por 2? ¿No bastaría con multiplicar m*v? También nos da una idea intuitiva de un concepto que depende tanto de m como de v…

 Bueno, son cuestiones que dejamos aparcadas, de momento.

Entonces tenemos que la energía asociada a la bici, se asocia a su vez a un valor numérico de 5.000, mientras que la del coche se asocia a un valor de 50.000

Dejemos a nuestra intuición trabajar sobre este concepto:

¿Qué es lo que esencialmente diferencia a una masa de 100 kilos moviéndose a 10 m/s de otra, a la misma velocidad de  1000 kilos?

¿Que es lo que diferencia una bala de 1 gramo moviéndose a 5 m/s de otra, también de 1 gr. a 500 m/seg?

Bien, la respuesta es la energía cinética asociada a la masa, a la bala. Pero, ¿en qué se traduce, a efectos prácticos? Evidentemente los efectos son diferentes caso de que la bici o coche choquen contra un edificio, un peatón u otro vehículo. Igualmente diferente es el efecto de la bala que choca contra una cabeza a 500 mts/ser o a 1 m/seg.

Pensemos igualmente en un martillo de diferente peso hundiendo un clavo en la madera, una maza clavando una estaca… O una canica de hierro chocando con una canica de arcilla…

De modo que podemos completar nuestra definición inicial añadiendo:

La energía (cinética) es un valor numérico asociado a un cuerpo que provoca un efecto mesurable al chocar contra otros cuerpos.

Entre los evidentes efectos que provoca el choque están, en primer lugar, la pérdida de energía del cuerpo inicialmente energetizado. La bala pierde velocidad al atravesar nuestro cerebro, cuando no se detiene. O sea, pierde energía.

Pero, ¿se pierde la energía?

Bueno, según la Física, “la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

Esto puede resultar más claro si analizamos el choque entre las pelotas de hierro y de plástico en el vacío: la energía cinética de una se transmite a la otra, lo que una pierde pasa a la otra. Digo que en el vacío porque, en la Tierra tenemos un rozamiento de las bolas con el suelo que las van frenando, y agotando su energía cinética.

Según los físicos al producirse un choque entre dos cuerpos se libera calor. Bien, todos sabemos que frotando dos maderas se calientan, hasta incluso llegar a arder. El calor es también energía, y que lleva asociado un valor numérico.

Luego volveremos sobre ello. De momento quedarnos con la idea de que un cuerpo viajando en el vacío mantiene su energía cinética hasta que va chocando con otros cuerpos. Tras el choque la energía perdida se transmite a los nuevos cuerpos… o se convierte en calor.

El calor

El calor, o cantidad de calor,  es un valor numérico también asociado a un cuerpo, que se calcula en función de la masa y la temperatura, y una constante propia del material. Bueno, he dicho que es un valor numérico asociado a un cuerpo, aunque quizá sea más exacto asociarlo a una transferencia. La cantidad de calor se refiere a la energía necesaria para aumentar la temperatura de una masa. No sé qué experimentos se habrán hecho para demostrar esta conversión de energía cinética en calor. Supongo que si disparamos una bala sobre un estanque, con una energía cinética E, la temperatura del agua subirá en la proporción que le corresponda. Para hablar de calor absoluto asociado a un cuerpo necesitaríamos una referencia del “cero”, quizá pudiera valer el cero absoluto, medido en la escala Kelvin (-273ºC) pero en la práctica más que con valores absolutos se juega con variaciones o incrementos/pérdidas de calor.

Velocidad y Energía cinética relativa

Pero volvamos al planteamiento general de la energía cinética. Algo no encaja, y es que estábamos definiendo la energía cinética como asociada a un cuerpo. El valor numérico asociado se calculaba como E=½*m*V² donde V es la velocidad… Pero ¿velocidad respecto a qué? ¿Velocidad respecto al observador? ¿Respecto a los cuerpos con los que chocará?

La verdad es que la energía cinética de un cuerpo no tiene sentido en términos absolutos, sino sólo en relación con otros cuerpos con los cuales puede, eventualmente, interactuar (choque o roce). Estamos en lo de siempre: dos cuerpos que viajan en un tren a 100 km/h tendrán su correspondiente energía cinética respecto al observador en tierra firme, pero nula respecto al observador que viaja en el tren.

Algo falta en el concepto, no lo voy a desarrollar ahora, ya se irá aclarando. El concepto realmente relevante sería el que compara las energías cinéticas de dos cuerpos y su comportamiento frente a una hipotética interacción. Comparación en modo vectorial, por supuesto, teniendo en cuenta la dirección del movimiento.

La verdad es que todos los cuerpos se desplazan. La tierra, en primer lugar, con su rotación y traslación. La velocidad, nada despreciable, de traslación, es de (me chiva la wikipedia) unos 30km/seg.  Así que, no tiene mucho sentido hablar de energía cinética en términos absolutos. Lo relevante, como decía, sería el “choque” de dos partículas, o dos cuerpos, y el intercambio energético resultante. En general se verá afectado el vector cinético de cada cuerpo (vector velocidad)  y una parte de la energía se convierte en calor y/o energía interna. A otros niveles, atómicos y subatómicos, los choques entre partículas tienen otras peculiaridades, supongo que entraremos a ello más adelante. De momento quedarnos con que, tras un choque entre dos cuerpos o partículas, una parte de la energía cinética se conserva, y otra parte se convierte en “otras formas” de energía, principalmente calor. Todo ello según el principio clásico, citado más arriba, de que “la energía ni se crea ni se destruye”. Pero …¿seguro que no? Luego volvemos.

En cualquier caso, recordemos que cuando hablamos de cuerpos que chocan estamos hablando de conglomerados de átomos que chocan y con una eventual alteración de la estructura interna, y de sus internos niveles de energía.

Como resultado del choque los cuerpos se pueden calentar, deformar, doblar o romper. Su relación con el estado energético… más adelante.

Energía Potencial

En la literatura académica el estudio de la energía cinética suele ir parejo a la “Energía potencial”, o, mejor, energía potencial gravitatoria

Si volvemos a nuestra definición previa de energía, decíamos que era “un valor numérico asociado a un cuerpo”. Y que podía variar con el tiempo. Echando mano de la energía cinética la relacionabamos con el movimiento, la velocidad. Veíamos que el valor numérico asociado a la energía aumentaba con la masa, y con la velocidad. Y nos esforzábamos por intuir ese algo oculto tras la noción de energía. Eso que es mayor a mayor velocidad y a mayor masa. Eso que diferencia a la bici de 10k del coche de 1000….

Pero sería un error suponer que los cuerpos en “reposo” carecen de energía. Primero porque, como decíamos, ningún cuerpo está exactamente en reposo, por supuesto. Segundo, porque como reza la relatividad einsteniana, la materia es una forma de energía. Y tercero, porque un cuerpo en “reposo” puede acelerarse a sí mismo y ponerse en movimiento por una causa distinta al choque. Una autoexplosión, podría ser. Y también por una atracción de tipo gravitatorio.

Antes he definido: “La energía (cinética) es un valor numérico asociado a un cuerpo que provoca un efecto mesurable al chocar contra otros cuerpos”. Bueno, este “efecto mesurable” no es otro que el intercambio de energía cinética.

Entonces, quizá sería más exacto definir la energía por la capacidad de un cuerpo de generar movimiento, o afectar el movimiento de otros cuerpos. Por supuesto, un cuerpo en movimiento es capaz de transmitir su movimiento a otro cuerpo, mediante un choque. O sea de transmitir su energía cinética, o mejor dicho cambiarla.  Pero tambien un cuerpo en reposo puede hacer lo propio si, como decíamos, de algún modo, es capaz de acelerarse a sí mismo y ponerse en movimiento, gracias a la fuerza de la gravedad.

Pues bien, esta capacidad de acelerarse, con la fuerza de la gravedad, es lo que mide la energía potencial.

La energía potencial sería entonces, igualmente, un valor numérico asociado a un cuerpo. Y también aumentaría proporcionalmente a la masa del cuerpo. Pero en este caso no depende diretamente de la velocidad. Depende… de la altura. Depende… de su capacidad de coger velocidad bajo el efecto de la fuerza de la gravedad.

Si no recuerdo mal la fórmula era Ep=m*g*h (m:masa, h:altura, g: constante gravitatoria, 9’8 m/s²)  Esta fórmula se deriva de la genérica anterior de atracción universal, para cuerpos situados en la superficie de la tierra (o sea, a 6 mil y pico kilómetros del centro de la tierra), y suponiendo unas distancias h relativamente pequeñas.

Bueno, en realidad, y como siempre, el punto cero puede ser arbitrario, (el centro de la tierra, quizá). Lo que cuenta, como siempre, es la variación: variación de Ep al variar la altura.

Este “ecosistema” formado por cuerpos que suben y bajan a cierta velocidad gusta especialmente a los físicos para recrearse en el principio de conservación de la energía. Como decíamos: la energía ni se crea ni se destruye, sólo se transforma.

Si tenemos un cuerpo de 2 kg en reposo, situado a 5 mts por encima del suelo tendrá una energía potencial de 2*5*9’8=98 julios con relación al suelo (DEp=98). Como hemos dicho que está en Reposo su energía cinética sera 0.

Si lo soltamos comienza a caer, al llegar a la altura del suelo su energía potencial sera 0. Se dice entonces que la energía se conserva y que la energía potencial en lo alto se convierte en cinética, según va cayendo, siempre y cuando ignoremos el factor rozamiento con el aire.

m*g*Dh=½*m*v²

Entonces la energía cinética al caer seria la misma, 98. Su velocidad al cuadrado sería 98*2/2 con lo que la velocidad de caída seria √98=9,9m/seg

Podemos intentar un calculo alternativo partiendo de las ecuaciones del movimiento acelerado: (x=1/2*a*t^2)

h=1/2*g*t² –> 5=1/2*9’8*t²–> t²= 5*2/9,8 =1’02s–> t=1,01

v=a*t=9,8*1’01=9,9

Bien, má o meno coincide.

Sería la velocidad justo antes de caer. Una vez producido el choque con el suelo la energía se pierde, o mejor dicho, se transforma en calor, o quizá otros tipos de energía.

Ejemplos gráficos de este vaivén de energía tenemos en el péndulo y la montaña rusa. El vagón, o el péndulo, en su punto más alto, tienden toda la energía potencial. Al llegar al punto bajo tienen toda la cinética. Pero en éste caso no hay choque: toda la energía cinética en la base se reconvierte de nuevo en potencial durante el proceso de ascenso. ¿Toda? Bueno, siempre tenemos algo de rozamiento, en cada vaiven perdemos un poco…

Uno se pregunta que ocurre con la persona que está sujetando el peso a los 5m, si esta consumiendo energía o no. Según la física parece que no. O si la consume, al menos no hay transferencia. Si el peso cuelga de un cable a 5 mts, pongamos que sean 200 k… Algo estará sintiendo la estructura molecular del cable… Pero no tenemos transferencia. Lo dejamos así, como un fleco a resolver.

Bueno, este post ya dio bastante de sí, seguiré en otro capítulo.

Todo este tema de la energía, de la gravitación, resultan un tanto abstractos, pero son parte esencial de la vida. ¿que sería de la existencia sin movimiento? ¿como se trasmite, de donde viene, a donde va? Y lo más importante, como se interrelaciona con la consciencia, la percepción, el espíritu…

Son algunas chispas de la misteriosa estructura interna de la materia que no vamos a elucidar completamente aquí, pero al menos les daremos un repasico

Acerca de Isar

Investigador de todo...
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