Energía Mecánica

La energía mecánica es aquella energía que posee un cuerpo o sistema como resultado de la velocidad de su propio movimiento, y que además, es capaz de producir trabajo. Bajo este principio, la energía mecánica es la suma de todas las energías mecánicas que actúan sobre él, es decir, la energía cinética, la energía potencial y la energía elástica.

La energía mecánica es una manifestación física del trabajo específico, por lo que puede ser utilizada para obtener distintos tipos de energía como la energía eólica, la cual se obtiene a través de la energía cinética de las corrientes de aire. Igual de oportuno es el caso de la energía hidráulica, que toma en cuenta tanto la energía cinética del flujo del agua, como la energía potencial de la misma.

La física ha estudiado los principios de la energía mecánica desde hace muchísimo tiempo, donde grandes nombres como James Prescott Joule e incluso Sir Isaac Newton lograron fundamentar los principios científicos que rigen la vida física tal cual la conocemos.

Este tipo de energía ha sido aprovechada por el ser humano desde la antigüedad para llevar a cabo todo tipo de trabajos. Desde el funcionamiento de las poleas y los barcos de vela, hasta los usos más modernos que permiten obtener energía eléctrica por medio de fuentes de energía cinética o potencial.

Ejemplos de energía mecánica

Son muchísimos los ejemplos de energía mecánica que podemos conseguir con tan solo mirar a nuestro alrededor. A continuación mostramos algunos ejemplos sencillos que nos ayudan a entender los principios de este tipo de energía.

Los vehículos automotores


Un vehículo utiliza el trabajo generado en un motor para convertirlo en energía cinética, lo que hace posible que éste se desplace a cierta velocidad. Los motores de combustión utilizan la energía potencial del combustibles para llevar a cabo procesos físico-químicos que permiten poner en funcionamiento todo el sistema mecánico del vehículo.

Los trampolines


Los trampolines son ejemplos de cómo se manifiesta la energía mecánica en forma de energía elástica. Cuando la superficie de un trampolín se de forma por el peso de un cuerpo, la energía aplicada para esta deformación se transforma en energía elástica. Al recuperar su forma original, empuja en dirección contraria al cuerpo que ha causado la deformación en su superficie, dotando así de energía cinética al cuerpo u objeto que ha sido rebotado del trampolín.

Los molinos de viento


Un molino de viento funciona cuando sus aspas entran en movimiento gracias al empuje de la energía cinética de las corrientes de aire. Esta energía cinética es convertida en trabajo mecánico para hacer funcionar engranajes que cumplen la función de moler granos. Los molinos de viento son uno de los primeros grandes inventos del ser humano que permitieron aprovechar al máximo la energía cinética del viento (energía eólica).

Las centrales hidroeléctricas


Una central hidroeléctrica aprovecha la energía cinética y potencial de las corrientes de agua para poner en funcionamiento una serie de turbinas conectadas a un generador eléctrico. De esta manera, las centrales hidroeléctricas pueden producir corriente alterna que luego se lleva a la red eléctrica sin necesidad de utilizar combustibles fósiles.

Los péndulos


Aunque no sea un ejemplo visible en la vida cotidiana, los péndulos fueron de los primeros ejemplos usados por los científicos para describir cómo funciona la energía mecánica. Un péndulo oscila de manera continua por medio de la energía cinética obtenida a partir de la energía potencial gravitatoria de su propio peso. Cuando el péndulo llega al punto más alto de su recorrido, la energía cinética se transforma en energía potencial. Posteriormente, cuando baja de regreso para llevar a cabo otra oscilación, esta energía potencial vuelve a transformarse en energía cinética. Bajo este principio cíclico funcionan los péndulos.

Cómo se produce la energía mecánica

La energía mecánica es producida por el trabajo que lleva a cabo un cuerpo o sistema. Este tipo de energía puede transferirse de un cuerpo a otro. Dicho de otra forma, la energía mecánica se origina como resultado de aplicar fuerzas mecánicas a un cuerpo. Dichas fuerzas pueden ser la elasticidad, la gravitación, etc.

Cuando esta energía dota de movimiento al cuerpo, la energía mecánica lleva la forma de energía cinética. De igual manera, cuando esta energía es absorbida y retenida por el cuerpo, se almacena en él en forma de energía potencial.

Cómo se mide

La energía mecánica en forma de energía cinética se mide en el Sistema Internacional bajo la unidad de Joule (J), donde a su vez se toma en cuenta la masa en Kilogramos (Kg) y la velocidad en metros por segundo (m/s). En cuanto a la potencia mecánica, ésta se mide en Watts (W), un valor que representa la cantidad de trabajo que produce un Joule en 1 segundo.

Tipos

Existen varios tipos de energía mecánica, los cuales se utilizan para describir cada uno de los fenómenos físicos que demuestran trabajo mecánico. A continuación explicamos cuáles son.

Energía cinética


La energía cinética es aquella derivada del movimiento de un cuerpo o sistema, lo que da como resultado que la energía cinética se relacione con el desplazamiento y la velocidad de un cuerpo. Este tipo de energía es la que vemos operar cuando cualquier objeto se mueve como consecuencia de la aplicación de algún tipo de energía sobre él. Por ejemplo, cuando caminamos, el organismo transforma la energía química almacenada en el cuerpo en energía cinética.

Energía potencial


La energía potencial es aquella que guarda relación con la condición o posición de un objeto con respecto a otro. Igualmente, la energía potencial es aquella que se almacena dentro de un cuerpo según sea su capacidad para realizar trabajo.

Energía potencial gravitatoria


Es un tipo de energía potencial que está relacionada con la posición de un objeto con respecto a otro y además, toma en consideración la manera en la que la gravedad actúa sobre un cuerpo. Este tipo de energía es la que se manifiesta cuando se sitúa un objeto a determinada altura del suelo, ya que mientras mayor sea la distancia del objeto con respecto al suelo, mayor será su energía potencial almacenada.

Energía potencial elástica


Es un tipo de energía potencial que está relacionada con la capacidad de cualquier material para deformarse cuando se le aplica una fuerza mecánica y posteriormente, regresar a su posición original. Este tipo de deformaciones se puede apreciar en cómo funcionan los resortes y los trampolines.

Usos

Los barcos veleros aprovechan la energía eólica.

Los usos de la humanidad sobre la energía mecánica son innumerables, esto se debe a que sus principios se ven relacionados con casi todo. No obstante, a modo informar, repasaremos algunos de los principales usos de la energía mecánica.

  1. Para generar energía eléctrica casi todas las centrales utilizan fuentes de energía relacionadas con la energía mecánica. Desde la energía eólica utilizada en los parques eólicos hasta la energía hidráulica aprovechada en las centrales hidroeléctricas; en todos los casos la energía mecánica hace posible el funcionamiento de los generadores eléctricos.
  2. A lo largo de la historia se ha aprovechado para hacer funcionar los medios de transporte. Desde los barcos con vela hasta los aviones y vehículos automotores, todos utilizan la energía mecánica para desplazarse a cierta velocidad.
  3. En la antigüedad, los romanos diseñaron grandes acueductos y sistemas hidráulicos que permitían el constante flujo de líquido para sus ciudades. Para hacerlo posible, utilizaron los principios de la energía mecánica para que factores como la gravedad y las pendientes permitieran el transporte de agua.
  4. Los seres vivos utilizan la energía almacenada en sus organismos para producir energía mecánica, las cual les brinda la posibilidad de moverse y realizar trabajo físico.
  5. Los engranajes, poleas, palancas y todo tipo de sistemas mecánicos que el hombre ha utilizado para un sinfín de labores a lo largo de la historia también se basan en la energía mecánica.

Ventajas y desventajas

A continuación se presentan las principales ventajas y desventajas de la energía mecánica.

Ventajas

  • La energía mecánica utilizada de forma inteligente permite optimizar el trabajo manual.
  • Este tipo de energía es abundante, ya que se encuentra en casi todo lo que nos rodea.
  • Hace posible generar energía eléctrica por medio de mecanismos que la aprovechan.
  • Es económica y de fácil acceso, ya que se encuentra en la naturaleza de muchas maneras; desde el viento hasta las olas y las corrientes marinas.
  • Se trata de un tipo de energía muy versátil, ya que tiene muchos usos y aplicaciones en la vida cotidiana.

Desventajas

  • Los mecanismos que operan por medio de energía mecánica sufren desgaste, por lo que necesitan mantenimiento periódico.
  • Dado que depende del movimiento de un cuerpo o más, muchas veces puede ser susceptible a fallas.
  • Para generar energía mecánica se deben utilizar otras fuentes de energía externas que doten de energía potencial o cinética al cuerpo o sistema que se desea utilizar.
  • Las maquinarias que utilizan energía mecánica suelen cumplir con su vida útil después de cierto tiempo de actividad.
  • La energía mecánica pura difícilmente se puede transportar por mucho tiempo o a largas distancias.
  • Muchas industrias y máquinas que operan bajo principios mecánicos están quedando obsoletas y siendo sustituidas por alternativas más eficientes y económicas.

Fórmula matemática

La energía mecánica se calcula a través de la siguiente fórmula:

\[\] Em = Ec + Ep +Ee [\latex]

En esta ecuación:

  • Em = Energía mecánica.
  • Ec = Energía cinética.
  • Ep = Energía potencial gravitatoria.
  • Ee = Energía potencial elástica.