Energía mecánica: Guía para principiantes sobre la energía de los objetos y el movimiento

La energía mecánica nos rodea. Tanto si se trata de un niño que da una patada a un balón de fútbol como de una enorme turbina eólica que nos proporciona electricidad, no hay forma de escapar a esta fuerza. Pero, ¿qué es exactamente la energía mecánica? En esta guía te ayudaremos a entender mejor la energía mecánica, cómo funciona y produce energía, y por qué es importante para ti (y para todos nosotros).

¿Qué es la energía mecánica y cómo funciona?

La energía mecánica es una cuestión de ciencia física. Es la energía del movimiento, o la energía de un objeto que se mueve. Todas las formas de vida y muchos sistemas utilizan la energía mecánica para funcionar, y la energía del movimiento puede verse en la vida cotidiana. Algunos ejemplos son:

• Un niño sostiene una pelota en el aire mientras explora el campo para lanzarla. Está aplicando una fuerza (sostiene la pelota en el aire), pero aún no ha realizado ningún trabajo (la fuerza provoca el desplazamiento de un objeto).
• Un niño patea una pelota (fuerza externa): la fuerza actúa sobre ella, impulsándola hacia adelante.
• Una pelota vuela por el aire (energía de movimiento), desciende (fuerza gravitatoria), rebota en el suelo para volver a subir hasta un punto (energía potencial gravitatoria), luego vuelve a bajar y rueda hasta detenerse.
• Un avión que baja a toda velocidad por la pista representa la energía del movimiento.
• Un avión a toda velocidad que choca con un helicóptero transfiere energía cinética a la otra aeronave.
• Un avión privado reduce su velocidad hasta detenerse cuando el piloto aplica los frenos (fuerza de fricción).
• La energía mecánica (energía cinética o energía potencial) es la energía de un objeto en movimiento o la energía que se almacena en los objetos por su posición.

La energía mecánica es también un motor de las energías renovables. Muchas formas de energía renovable dependen de la energía mecánica para producir adecuadamente energía o convertirla.

Dos ejemplos de energías renovables que dependen de la energía mecánica son la hidroeléctrica y la eólica.

La energía mecánica es sólo una de las diversas formas de energía, entre las que también se encuentran

• La luz
• El calor
• La energía sonora
• La energía química
• La energía eléctrica
• Energía nuclear

Curiosamente, todas estas formas de energía son intercambiables: pasan de un estado a otro, según las circunstancias. Esto se debe a que la ley científica de la conservación establece que la energía nunca deja de existir por completo; sólo puede cambiar de una forma a otra.

¿Cuáles son algunos ejemplos de energía mecánica?

La energía mecánica puede ser producida por seres vivos, objetos sólidos, gases, agua o aire. Hay ejemplos de energía mecánica en todas partes.

La energía potencial y la cinética son sólo dos ejemplos que podemos ver o experimentar.

Un ejemplo de energía potencial

Imagina que llegas a casa del mercado agrícola local y entre tu cesta de productos orgánicos hay una sandía gorda, jugosa y redonda.

Colocas la sandía en la encimera de la cocina. Ahora tiene energía potencial debido a su altura sobre el suelo de la cocina y a su peso.

Entonces, accidentalmente, la golpeas con el codo mientras sacas un tarro para guardar tus granos de café orgánico fresco. Te apresuras a cogerlo mientras el melón empieza a rodar hacia el borde de la encimera. Esta es la energía del movimiento.

Como tienes las manos ocupadas con el tarro y la bolsa de café, el melón cae al suelo (fuerza gravitatoria, un ejemplo de fuerza no conservativa), se estrella contra la baldosa de cerámica y explota en un millón de pedazos.

Ahora se ha hecho “trabajo” porque el impacto ha roto el melón en trozos de jugosa papilla. La sandía estrellada también crea energía sonora, una de las formas de energía comentadas anteriormente.

Un ejemplo de energía cinética

A muchos de nosotros nos entusiasma la energía limpia por su impacto beneficioso en el cambio climático. Podemos elegir un plan de energía verde cuando seleccionamos un proveedor de electricidad o podemos instalar paneles solares en nuestra casa.

Cuando elegimos un plan de energía verde, esa energía suele ser producida por turbinas. Hay diferentes tipos de energía cinética que hacen funcionar las turbinas para producir electricidad.

• Viento: La turbina eólica, por ejemplo, es un tipo de tecnología de energía renovable que genera energía a partir del movimiento del aire. Cuando el viento sopla, hace girar las palas de la turbina en un movimiento circular, que hace girar un eje de transmisión que genera electricidad a medida que gira.

• Vapor: Las turbinas de vapor utilizan la presión para mover los brazos de la turbina. Los álabes giran en un movimiento circular cuando el vapor sopla, utilizando energía mecánica para hacer girar un eje rotador. El eje giratorio está conectado a un generador que toma la energía cinética y la convierte en energía eléctrica. Este mismo proceso se utiliza para hacer funcionar las máquinas de vapor.

• Agua: La energía hidráulica adquiere la energía mecánica del agua en movimiento a través de turbinas hidráulicas o sistemas de almacenamiento por bombeo. Al igual que las turbinas eólicas o de vapor, las turbinas hidráulicas utilizan la energía cinética del agua en movimiento para hacer girar las palas. Por otro lado, los sistemas de almacenamiento por bombeo utilizan depósitos de agua a diferentes alturas para mover el agua de un lado a otro y crear energía hidroeléctrica. Ambos métodos reflejan las fuerzas de energía mecánica que se producen de forma natural en ríos, arroyos, cascadas, océanos e incluso en la lluvia.

¿La energía mecánica es potencial o cinética?

Hay dos tipos de energía mecánica: la del movimiento (energía cinética) y la almacenada (energía potencial). Puedes obtener más información en nuestra guía que explica la energía potencial y cinética.

La conversión mecánica depende de la cantidad de energía potencial que tenga un objeto y de la cantidad de energía cinética que pueda producir.

Sin embargo, independientemente del potencial, la energía del movimiento es una parte integral de la producción de energía, y muchas fuentes de generación de energía no podrían funcionar sin ella.

La energía mecánica depende de la posición y el movimiento de un objeto, y su potencia proviene de la suma de la energía en movimiento (energía cinética) y la energía almacenada (potencial). En otras palabras, cuando la energía potencial de un objeto se combina con su energía cinética, se crea energía mecánica.

Por ejemplo, una montaña rusa obtiene la mayor cantidad de energía potencial gravitatoria cuando alcanza el primer pico, cerca del comienzo del recorrido; esto es lo que establece la cantidad total de energía disponible para impulsar los vagones hacia adelante durante la duración del recorrido.

Cuando asciende a la cima de una de sus colinas o bucles, gana energía potencial: cuanto más alto llega, más energía potencial obtiene. Cuando procede a un movimiento descendente, comienza a convertir su energía potencial en energía cinética. A medida que el carro desciende por la colina, su energía cinética aumenta; simultáneamente, su energía potencial disminuye.

Algunos ejemplos de objetos con energía potencial son un peñasco al borde de un acantilado, el agua en una bañera tapada o una bola de demolición a punto de estallar. Todos ellos se encuentran en la energía de posición antes de rodar, fluir u oscilar.

Las fuentes de energía cinética proceden del movimiento o de las fuerzas gravitatorias, como las olas del mar, el vapor, el agua que fluye o el viento. También puede ser la energía ejercida cuando una persona corre, salta, baila, conduce un coche, lanza un dardo o lanza una bola de bolos por un callejón.

Cuando la roca rueda desde un acantilado o se quita el tapón de la bañera y el agua empieza a correr por el desagüe, estos objetos o fuentes ganan energía cinética.

A medida que adquieren energía cinética, pierden energía potencial, y juntas crean el nivel de fuerza, velocidad o potencia de un objeto.

Todos los demás tipos de energía sólo pueden ser energía cinética o energía potencial, una a la vez, pero nunca simultáneamente. Por lo tanto, la energía mecánica es la única forma de energía que puede aprovechar la energía potencial y la cinética y cambiar de una a otra.

¿Cómo se produce la energía mecánica?

La energía mecánica se produce aprovechando la energía potencial y cinética y convirtiéndola en potencia. Ejemplos de ello son el vapor, el agua, el viento, el gas o los combustibles líquidos que alimentan las turbinas.

Las máquinas suelen utilizarse para generar otras formas de energía mediante su conversión antes de ser utilizadas como potencia. Una vez que la energía mecánica se transforma de una manera determinada, podemos utilizarla de la manera que queramos o necesitemos para funcionar.

¿Se puede conservar la energía mecánica?

Se puede conservar la energía mecánica, lo cual es crucial porque la energía puede escaparse cuando se utiliza, y la energía puede desperdiciarse durante el proceso de conversión.

Algunas pérdidas de energía son inevitables cuando se producen fuerzas o situaciones no conservadoras o de parada, pero desviar o conservar la energía puede ayudar a alcanzar la máxima eficiencia.

Los sistemas de conversión de energía ineficientes son más costosos y pueden afectar a la eficiencia de los sistemas de energía. Por ejemplo, si la energía eólica se convierte en energía mecánica para hacer girar un aerogenerador, pero el proceso de conversión pierde más de la mitad de la energía conducida, el sistema es lento, consume más tiempo y desperdicia energía.

¿Qué es la conversión de energía?

La conversión de energía se produce de muchas maneras diferentes. El Departamento de Energía de EE.UU. pone como ejemplo el funcionamiento de un coche.

La gasolina que se encuentra en el depósito de un coche antes de encenderlo contiene energía potencial química. Cuando la gasolina se quema después de arrancar el vehículo, la energía química se transforma en energía térmica, una forma de energía calorífica.

La energía térmica se convierte entonces en energía mecánica, utilizando la fuerza y el movimiento (energía cinética) para mover el vehículo.

Cuando el coche ya no necesita moverse o se detiene momentáneamente, se aplican los frenos, lo que crea fricción, una fuerza no conservativa.

La energía mecánica, cinética, se transforma de nuevo en estado térmico y vuelve a ser energía calorífica.

Según la ley de conservación de la energía mecánica, cuando un sistema está aislado o sólo interactúa con fuerzas conservativas, la energía mecánica es constante.

En otras palabras, el coche conservará su energía mecánica de forma constante hasta que, o bien se agote la gasolina y deje de producirse energía mecánica, o bien interactúe con una fuerza no conservativa, como la fricción del frenado o de un poste, otro vehículo o un edificio.

Además, si la velocidad de un objeto o material en movimiento cambia, la energía cinética cambia con ella.

En el caso del coche, si redujera la velocidad pero siguiera circulando y luego chocara con otro vehículo a sólo unos kilómetros por hora, el impacto sería menor que si el coche acelerara y chocara con otro vehículo cuando circula a la máxima velocidad posible.

Cuanto más rápido sea el movimiento de un coche, más energía cinética producirá y más fuerza ejercerá en el momento del impacto.

A veces, cuando los objetos chocan con fuerzas no conservativas como la fricción, también pueden perder energía.

La cantidad de energía que se pierde en una colisión dependerá del tipo de colisión que se produzca.

Si la colisión o la interacción es elástica, como un juguete Slinky bajando una escalera, la cantidad de energía seguirá siendo la misma, y la energía del objeto se conservará.

Si la colisión es inelástica, como la masa aplastada de una tortilla que cae sobre una sartén, la energía se transformará en energía térmica y no se conservará.

La energía mecánica está en todas partes

La energía del movimiento es la energía mecánica y puede verse en casi todo lo que hacemos y experimentamos en la vida. Está en un jugador de béisbol que mueve el bate para golpear la pelota en el campo. Está en una licuadora que zumba, triturando y licuando nuestra fruta, col rizada y hielo en un batido verde. Está en los pedales de los frenos de una bicicleta, que utilizan la fricción para detener el giro de las ruedas.

Como energía almacenada en un objeto, puede pasar rápidamente de la energía potencial a la energía cinética, y luego, posiblemente, transformarse en un tipo de energía totalmente diferente al entrar en juego la ley de conservación. La energía mecánica no es tan técnica como parece. Forma parte de la vida cotidiana.