La energía y sus transformaciones

Octava Unidad: La energía y sus  transformaciones

Guía Nº 1: Fuerza

Fuerza es toda acción mecánica entre dos cuerpos, capaz de:

• Cambiar el estado de reposo de un cuerpo, es decir, poner en movimiento un cuerpo que está detenido o en reposo. Ejemplo, si queremos poner en movimiento un carrito hay que empujarlo o halarlo, es decir aplicarle una fuerza.

• Cambiar el estado de movimiento de un cuerpo, es detener un cuerpo que se encuentra en movimiento. Ejemplo, para detener el balón que un jugador lanza a la cancha contraria en un partido de voleibol, la defensa tiene que ejercer una fuerza sobre el balón con sus manos para lograr detenerlo.

• Producir deformaciones en un cuerpo, lo que significa hacer cambiar la forma de los objetos. Ejemplo, cuando apretamos una chimbomba con las manos, ejercemos sobre ella una fuerza y la deformamos.

Tipos de fuerza

Existen dos tipos de fuerzas: Fuerza de contacto y fuerza a distancia.

Las fuerzas de contacto, son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza está en contacto directo con el cuerpo, sobre el cual se aplica dicha fuerza. Cuando un jugador golpea con su cabeza un balón, ejerce con su cabeza una fuerza de contacto sobre el balón.

Las fuerzas a distancia, son aquellas en las que el cuerpo que ejerce la fuerza no está en contacto directo con el cuerpo, sobre el cual se aplica dicha fuerza. Un imán que atrae objetos de metal, ejerce una fuerza a distancia sobre éstas, ya que los atrae sin tocarlos.

La fuerza de la gravedad, es la fuerza que determina la atracción entre los cuerpos. Por ejemplo, la atracción que la Tierra ejerce sobre la Luna y la fuerza con que se atraen los planetas.

También es una fuerza que actúa a distancia. A esta fuerza se debe el funcionamiento y la manera como está organizado el Universo.

Elementos de una fuerza

Sobre un cuerpo se pueden ejercer diferentes fuerzas y cada una de ellas puede producir un efecto distinto sobre él. Ejemplo, piensa lo que ocurre cuando empuja una mesa y en lo que ocurre cuando la golpea, aunque en ambos casos se aplica una fuerza sobre ella, el resultado de su fuerza es diferente. Para distinguir una fuerza de otra, es necesario conocer los factores que la determinan.

En una fuerza se pueden distinguir los siguientes elementos: la dirección, el sentido, la intensidad y el punto de aplicación.

La dirección de una fuerza, indica la forma como se ejerce esa fuerza (horizontal, vertical, oblicua) (figura a).

El sentido de una fuerza, indica el lugar hacia el cual se ejerce esa fuerza (hacia arriba, hacia abajo, hacia la izquierda, hacia la derecha) (figura b).

La intensidad de una fuerza, es el valor de esa fuerza expresada en Newton y se mide por medio de un aparato llamado dinamómetro. (Figura c).

El punto de aplicación de una fuerza, es la parte del cuerpo sobre la cual se ejerce esa fuerza (en su parte superior, en su parte inferior, en uno de sus lados.) (figura d).

Guía Nº 2: Trabajo y potencia mecánica

En física el significado de la palabra trabajo se relaciona con la fuerza ejercida sobre un cuerpo y con el desplazamiento producido por la fuerza.

Si la dirección de la fuerza es igual a la dirección del desplazamiento, la fuerza realiza trabajo mecánico (figura 1). En este caso el trabajo se calcula como el producto de la fuerza por el desplazamiento (T = f. d).

Las fuerzas que logran el desplazamiento del cuerpo sobre el cual actúan,son las únicas capaces de realizar un trabajo.

Ejemplo: la fuerza que ejerce un caballo que jala un carretón.

Por el contrario,las fuerzas que no logran desplazar un cuerpo no realizan un trabajo. Ejemplo: la fuerza que ejerce una columna que sostiene un techo.

La magnitud del trabajo realizado por una fuerza, que se aplica sobre un cuerpo depende tanto de la intensidad de la fuerza como del desplazamiento producido por dicha fuerza.

El trabajo realizado aumenta, en la medida en que la intensidad de la fuerza aplicada sea mayor. Ejemplo: se realiza más trabajo al levantar un bulto lleno de arena aun metro del piso, que al levantar a la misma altura un bulto lleno de plumas.

• El trabajo realizado aumenta, en la medida en que el desplazamiento del cuerpo, sobre el que actúa la fuerza, es mayor. Ejemplo: se realiza más trabajo al jalar un carro durante 100 metros, que al jalarlo durante solo 10 metros.

• El trabajo se mide en unidades llamadas joules, cuyo símbolo es J.

Potencia

La potencia indica la relación que existe entre el trabajo realizado y el tiempo que se ha empleado para realizarlo.

En conclusión, Potencia es la rapidez con la cual se realiza un trabajo. La potencia se mide en unidades llamados vatios, cuyo símbolo es W (Watt).

Guía Nº 3: Las máquinas

Desde la antigüedad el hombre ha elaborado instrumentos que le facilitan su labor.

Ejemplo: las hachas de piedra, los palos y las hondas fueron las primeras máquinas que utilizó el hombre, después se han ido diseñando aparatos más complejos y facilitadores de las tareas que el hombre realiza.

Una máquina disminuye el esfuerzo necesario para realizar un trabajo. Por esto, las máquinas aumentan la eficiencia del trabajo.

¿Qué sucedería si no existieran las máquinas?, ¿Por qué?

Si no tuviéramos máquinas, tendríamos que desarrollar todas nuestras actividades únicamente con la fuerza de nuestros músculos. Así, si tuviéramos que subir un bulto de cemento hasta el quinto piso de un edificio, podríamos hacerlo de dos formas:cargando directamente el bulto sobre el hombro y subiendo por la escalera, o bien elevándolo verticalmente con ayuda de una polea, en este caso el esfuerzo a realizares menor.

De acuerdo con sus características las máquinas se pueden clasificar en: máquinas simples y máquinas compuestas.

Una máquina simple es la que tiene un solo punto de apoyo.

Las máquinas simples son el plano inclinado, la cuña, la palanca, el eje, el tornillo, la rueda, la polea.

Elementos de una máquina

En toda máquina se pueden distinguir tres elementos:

• La fuerza motriz o potencia (Fm), es la fuerza que hay que aplicar para hacer funcionarla máquina.

• La fuerza de resistencia (Fr), es la fuerza que se quiere vencer con ayuda de lamáquina.

• El punto de apoyo, es el punto alrededor del cual giran la fuerza motriz o potenciay la fuerza de resistencia.

El plano inclinado

Es una superficie inclinada por la quepodemos transportar un peso aplicándolefuerza o potencia menor. Los egipcios lo utilizaronen la construcción de las pirámides.

La cuña

La cuña es una máquina simple de madera o de metal terminada en ángulo diedro muy agudo. Sirve para hender o dividir cuerpos sólidos, para ajustar o apretar uno con otro, para calzarlos o para llenar alguna raja o hueco. Actúa como un plano inclinado móvil. El filo de un hacha es, en realidad,una cuña afilada. Tal como haría una rampa, permite desplazar un peso con mayor facilidad.

El tornillo

Es una variación del plano inclinado. Es un plano inclinado pero enrollado en espiral alrededor de un cilindro. Se utilizan en la construcción de muebles, casa, carros.

La palanca

La palanca constituye la máquina simple de mayor uso en la vida diaria y también tiene aplicación en numerosos artefactos y máquinas compuestas, que aplicamos con frecuencia.

Está formada por una barra rígida que se apoya en un fulcro o punto de sostén. La distancia del fulcro al punto donde se aplica la fuerza motriz se llama brazo motor.

La distancia del fulcro al punto donde está la fuerza de resistencia se llama brazo de resistencia. Entre mas largo sea el brazo motor y mas corto el brazo de resistencia, la fuerza motriz necesaria para mover un mismo objeto será menor.

La polea fija

La polea fija es una máquina simple formada por un disco que gira alrededor de un eje, el disco lleva un surco por el que se pasa una cuerda. En la polea fija no hay multiplicación de la fuerza que se aplica, es decir que la fuerza motriz es igual a la fuerza de resistencia, lo que se consigue con la polea es cambiar el sentido en que debe ejercerse la fuerza motriz. Precisamente allí radica su utilidad, pues, haciendo que la fuerza motriz tenga el mismo sentido que la fuerza de resistencia se reduce el esfuerzo.

Máquinas compuestas

Una máquina compuesta es la que está constituida por la combinación de varias máquinas simples. La grúa, el motor y la bicicleta son ejemplos de máquinas compuestas.

Importancia de las máquinas

Con las máquinas logramos:• Multiplicar la fuerza• Aumentar la velocidad• Ganar comodidad

Guía Nº4: Fuentes de energía

La energía, es la capacidad que tiene la materia para hacer un trabajo, o también,la propiedad de la materia que le permite mover objetos. La energía interviene en todos los fenómenos que ocurren en el Universo. Se necesita energía para levantar una maleta del piso, para que una bujía alumbre o para que nuestros alimentos se cocinen.

Las fuentes de energía se pueden dividir en dos grandes sub grupos: Fuentes de energía renovables y las Fuentes de energía no renovable.

Energía renovable

Se denomina energía renovable, a la energía que se obtiene de fuentes naturales virtualmente inagotables, unas por la inmensa cantidad de energía que contienen y otras porque son capaces de regenerarse por medios naturales.

Las energías renovables han constituido una parte importante de la energía utilizada por los humanos desde tiempos remotos, especialmente la solar, la eólica y la hidráulica.

Las fuentes de energía renovables pueden dividirse endos categorías:1. Fuentes de Energías renovables Limpias No contaminantes y 2. Fuentes de Energías renovables Contaminantes

1. Fuentes de Energías renovables Limpias No contaminantes

• El Sol: energía solar.

• El viento: energía eólica.

• Los ríos y corrientes de agua dulce: energía hidráulica.

• El calor de la Tierra: energía geotérmica.

Energía solar

El Sol constituye la principal fuente de energía de la Tierra, nos envía, al año 35,000 veces más energía de la que consumimos en ese mismo tiempo.

La energía solar es una fuente de vida y origen de la mayoría de las formas de energía en la Tierra. Es una fuente de energía alternativa llamada energía limpia, porque no tiene ningún impacto negativo sobre el medio ambiente.

Mediante colectores solares, la energía solar puede transformarse en energía térmica, y utilizando paneles fotovoltaicos la energía luminosa puede transformarse en energía eléctrica.

En las centrales térmicas solares se utiliza la energía térmica de los colectores solares para generar electricidad.

Energía eólica

La energía eólica es la energía obtenida de la fuerza del viento, es decir está relacionada con el movimiento de las masas de aire que se desplazan de áreas de alta presión atmosférica hacia áreas adyacentes de baja presión, con velocidades proporcionales al gradiente de presión.

La energía eólica ha sido aprovechada desde la antigüedad, para mover los barcos impulsados por velas o hacer funcionar la maquinaria de molinos al mover sus aspas. Es un tipo de energía alternativa llamada también energía limpia.

En la actualidad se han puesto en uso los aerogeneradores, que transforman la energía del viento en electricidad.

Energía hidráulica

La energía hidráulica se basa en aprovechar la caída del agua desde cierta altura.

La energía potencial, durante la caída, se convierte en energía cinética. El agua pasa por las turbinas a gran velocidad, provocando un movimiento de rotación que finalmente, se transforma en energía eléctrica por medio de los generadores. Es un recurso natural disponible en las zonas que presentan suficiente cantidad de agua, y una vez utilizada, es devuelta río abajo.

Energía geotérmica

Es la energía que se encuentra acumulada dentro de la Tierra, en forma de calor, se manifiesta y sube a las superficies terrestres en las erupciones volcánicas.

Ese calor proveniente del interior de la Tierra, también es aprovechado por los humanos mediante el uso de máquinas especiales que hacen girar las turbinas que generan electricidad.

2. Fuentes de Energías renovables Contaminantes

Las energías de fuentes renovables contaminantes se obtienen a partir de la materia orgánica, o biomasa y se pueden utilizar directamente como combustible(madera u otra materia vegetal sólida), o convertida en biogás mediante procesos de fermentación orgánica.

Las energías de fuentes renovables contaminantes tienen el mismo problema que la energía producida por combustibles fósiles, en la combustión emiten dióxido de carbono, gas de efecto invernadero y a menudo son aún más contaminantes puesto que la combustión no es tan limpia,emitiendo hollín y otras partículas sólidas.

Sin embargo, se incluyen dentro delas energías renovables, porque el dióxido de carbono emitido ha sido previamente absorbido al transformarse en materia orgánica mediante fotosíntesis.

Guía Nº 5: Las Fuentes de Energía no renovable

Se denomina energía no renovable a las fuentes de energía que se encuentran en la naturaleza en una cantidad limitada y que, una vez consumidas en su totalidad, no pueden regenerarse.

Las Fuentes de energía no renovables son: los combustibles fósiles y los combustibles nucleares.

Combustible fósil

Son combustibles fósiles, el carbón, la hulla, el petróleo y el gas natural. Provienen de restos de seres vivos enterrados hace millones de años, que se transformaron bajo condiciones adecuadas depresión y temperatura.

El combustible fósil puede utilizarse directamente,quemándolo para producir calor y movimiento, en hornos, estufas, calderas y motores.

También pueden usarse para obtener electricidad en las centrales térmicas o termoeléctricas, en las cuales, con el calor generado al quemar estos combustibles se obtiene vapor de agua que, conducido a presión, es capaz de poner en funcionamiento un generador eléctrico, normalmente una turbina.

•Ventajas del combustible fósil: -- Son muy fáciles de utilizar.-- Su gran disponibilidad.

• Desventajas del combustible fósil: -- Su uso produce la emisión de gases que contaminan la atmósfera y resultan tóxicos para la vida.

-- Se puede producir un agotamiento de las reservas, a corto o mediano plazo.

-- Contaminan más que otros productos,que podrían haberse utilizado en su lugar.

Combustibles nucleares

Son elementos químicos capaces de producir energía. La energía nuclear se utiliza para producir electricidad en las centrales nucleares. La forma de producción es muy parecida a la de las centrales termoeléctricas, aunque el calor no se produce por combustión, sino mediante la fusión de materiales.

Pueden ser combustibles nucleares el uranio y el plutonio.

Ventajas de los Combustibles nucleares:

-- Produce mucha energía, de forma continua y a un precio razonable.

-- No genera emisiones de gases de efecto invernadero.

Desventajas de los Combustibles nucleares:

-- Se acabarán a mediano plazo.

-- Generan residuos radiactivos que permanecen activos durante cientos de años.

-- Pueden ocasionar graves catástrofes medioambientales en caso de accidente.

Guía Nº 6: Las Formas de energía

La energía se puede manifestar de diferentes formas. Algunas de estas formas: energía cinética, energía potencial, energía mecánica

Energía cinética

Es la energía que posee cualquier cuerpo que está en movimiento, por ejemplo:el agua del río que corre por un cauce o el agua de la represa al caer, la energía que tiene el niño o la niña cuando corre.

Toda materia en movimiento puede trasladar su acción a otros objetos o cuerpos que están en reposo, es decir,transfieren energía para realizar un trabajo.

Ejemplo: el viento que empuja un velero,la bola de billar que golpeada por el taco, se pone en movimiento y choca contra las otras bolas.

Los objetos que se mueven con mayor rapidez les asociamos mayor energía cinética.

Energía potencial

La energía potencial es la energía que poseen los cuerpos en reposo capaces de realizar un trabajo. Así un bulto de arena tiene la capacidad de producir un trabajo al caer desde una altura de 5 metros, por ejemplo, puede levantar del suelo otro bulto de arena con el cual está conectado por medio de una polea. Por eso decimos que la energía potencial es la energía que posee un cuerpo debido a su forma, al material del cual está hecho y a su posición con respecto al suelo o a otro cuerpo tomado como referencia.

Si consideramos la energía que tiene un cuerpo debido a su posición respecto a la superficie terrestre, ésta recibe el nombre de energía potencial gravitacional.

La energía potencial que tiene un cuerpo en un momento determinado depende de la masa de dicho cuerpo y de su altura respecto a la superficie del planeta.

A mayor altura mayor energía potencial. A mayor cantidad de masa mayor energía potencial.

Energía mecánica

La energía mecánica es el resultado de la combinación de la energía cinética y la energía potencial. Por ejemplo, la energía mecánica que posee un bulto de arena que está cayendo al suelo, es la suma de la energía debido a su movimiento, más la energía debido a su posición en ese momento.

A medida que aumenta la energía cinética, la energía potencial disminuye.

A medida que la energía potencial aumenta, la energía cinética disminuye.

A pesar de que se dan estas variaciones, la energía mecánica permanece constante.

Guía Nº 7: La Energía eléctrica

La energía eléctrica se obtiene en las centrales hidroeléctricas aprovechando la energía del agua en movimiento, en las centrales térmicas a través del calor que desprenden los combustibles.

La energía eléctrica llega a nuestras casas mediante la red eléctrica.

La mayor parte de la energía que utilizamos en nuestra vida diaria es energía eléctrica.

Pero esto no sería posible si no se hubiesen desarrollado sistemas capaces degenerar, distribuir y consumir este tipo de energía.

Aplicaciones de la energía eléctrica

¿Con qué se alumbraban antes?, ¿Con qué nos alumbramos actualmente?

Antes del año 1,800 nuestros antepasados se alumbraban con fuego, velas, lámparas de aceite vegetal,de ballena y de keroseno. A partir de 1847, se empezaron a comercializar las primeras bombillas.

Tomás Edison, en 1879, dio un paso gigantesco al inventar la lámpara incandescente, en la que la corriente eléctrica circulaba por un hilo de carbón, al que ponía incandescente, dentro de una bombilla que se había hecho al vacío. Al inventarla, la electricidad se convirtió en la primera fuente de luz.

La energía eléctrica tiene aplicaciones en:

• Construcción: sin electricidad no se podrían construir edificios, ni puentes, ni carreteras.

• Comunicaciones: no existirían ni los teléfonos, ni la radio, ni la televisión, ni Internet.

• Transportes: no funcionarían los coches, ni los trenes, ni barcos, ni aviones.

• Educación: los libros de texto se maquetan en ordenador y tendrían que ser impresos con la vieja imprenta de tinta, que se tarda mucho y queda muy mal.

• Diversión: no existirían los videojuegos, la televisión, equipos de sonidos, celulares, etc.

• Alimentación: los alimentos frescos se estropearían sin refrigeración, y la comida tendría que ser cocinada al fuego.

Uso eficiente de la energía eléctrica. Medidas preventivas

La electricidad es un servicio básico y prioritario en nuestra vida diaria y su manejo debe hacerse con mucho cuidado para evitar accidentes.

Por falta de atención o desinformación muchas personas han sido víctimas de accidentes eléctricos y en algunos casos fatales, es por esa razón que se presentan a continuación,algunos consejos importantes para el uso correcto de la energía eléctrica y recomendaciones básicas para evitar accidentes:

-- Utilizar todos los aparatos eléctricos de acuerdo con las recomendaciones de uso, mantenimiento y seguridad que aconseja el fabricante.

-- Para limpiar o reparar cualquier electrodoméstico (televisor, refrigerador, plancha,etc.) primero desconéctelo.

-- Para desenchufar un aparato, nunca se debe jalar del cordón sino del enchufe.

No utilizar cuchillos, ni destornilladores para desenchufarlos.

-- Mantenga los aparatos eléctricos alejados del agua.

--Para cambiar un foco, tomarlo por el bulbo, jamás tocar la parte metálica.

-- Al utilizar aparatos eléctricos evitar estar descalzo o con los pies húmedos.

-- Nunca utilizar artefactos eléctricos en locales húmedos.

-- Nunca tocar la parte metálica de los artefactos eléctricos con las manos mojadas o los pies descalzos.

-- Para utilizar, enchufar o desenchufar cualquier aparato eléctrico hay que tener siempre las manos bien secas.

Uso racional de la energía eléctrica

La energía eléctrica es un recurso no renovable y por eso es necesario que la utilicemos de manera responsable y evitemos su derroche. Para poder hacerlo, debemos cambiar ciertas actitudes y costumbres que nos ayudarán a ahorrar energía eléctrica y adoptar ciertas medidas como:

-- Mantener apagadas las luces y los equipos eléctricos cuando no se estén utilizando.

--Reemplazar las bujías por lámparas de bajo consumo.

--Revisar que las luces de la casa estén apagadas al salir.

-- Desenchufar los transformadores o cargadores cuando no se utilizan, ya que consumen energía.

-- Secar la ropa al aire libre

-- Reducir el uso de secadores de cabello y otros electrodomésticos no indispensables para la vida.

-- Apagar la televisión cuando no se está viendo.

-- Apagar las luces cuando se abandonan las habitaciones.

-- No abrir la refrigeradora a cada instante, ni dejarla abierta por mucho tiempo.