Las formas de la energía: cinética, potencial y las demás

Qué vas a aprender

Hay muchas formas de nombrar la energía, pero solo dos maneras de tenerla: moviéndote o estando colocado. Todo lo demás son variantes de esas dos. En este objeto aprenderás a clasificar, y también a calcular con las dos fórmulas que se usan en toda la física de bachillerato.

1. Las dos familias

La energía cinética es la que tiene un cuerpo por estar en movimiento: un auto, una pelota, el aire de un ventilador. La energía potencial es la que tiene un sistema por su configuración o posición: una piedra en lo alto de un pozo, un resorte comprimido, el combustible de una batería. La distinción no es cosmética: la cinética se gasta en el instante y la potencial está disponible para gastarse después. Un embalse es energía potencial en espera; la turbina girando ya es cinética.

2. Energía cinética: la fórmula y su comportamiento

La energía cinética se calcula con Ec = (1/2) m v², donde m es la masa en kilogramos y v la rapidez en metros por segundo. Dos lecturas de esa fórmula cambian tu intuición. Primero, es lineal en la masa: duplicar la masa duplica la energía. Segundo, es cuadrática en la rapidez: duplicar la rapidez cuadruplica la energía. Por eso a 120 km/h la distancia de frenado no es el doble que a 60, sino aproximadamente el cuádruple, y por eso el exceso de velocidad es el factor dominante en la gravedad de un choque.

3. Energía potencial gravitatoria

Ep = m g h, con g igual a 9.8 m/s² en la superficie terrestre y h la altura medida desde el nivel que tú elijas. Esa última parte es la clave conceptual: la altura es relativa a un nivel de referencia, así que la energía potencial de un mismo objeto cambia según dónde pongas el cero. No es un defecto: lo que importa en física es la diferencia de energía potencial entre dos posiciones, y esa diferencia no depende del nivel elegido. Levantar un libro del piso a una mesa y soltarlo produce el mismo efecto sin importar que midas desde el suelo o desde el techo.

5. Ejercicios resueltos

Ejercicio 1 · Cinética. Un ciclista más su bicicleta suman 80 kg y se mueven a 10 m/s. Ec = 0.5 · 80 · 10² = 40 · 100 = 4 000 J.
Si duplica su rapidez a 20 m/s: Ec = 0.5 · 80 · 400 = 16 000 J, cuatro veces más con el doble de velocidad.

Ejercicio 2 · Potencial. Una maceta de 5 kg está en un balcón a 12 m sobre la banqueta. Ep = 5 · 9.8 · 12 = 588 J respecto de la banqueta. Si cae, esos 588 J se convierten en cinética (sin fricción), así que al llegar tiene Ec = 588 J y su rapidez es v = raíz de (2 · 588 / 5) ≈ 15.3 m/s.

Ejercicio 3 · Comparación. ¿Qué tiene más energía: un dron de 1.5 kg volando a 20 m/s o una esfera de 20 kg a 1 m/s? Dron: 0.5 · 1.5 · 400 = 300 J. Esfera: 0.5 · 20 · 1 = 10 J. El dron, mucho más ligero, tiene treinta veces más energía: la rapidez pesa más que la masa.

12. Aplicación real

En seguridad vial las cifras de este objeto son literales: un auto de 1 200 kg a 15 m/s (54 km/h) lleva 135 000 J; a 30 m/s (108 km/h) lleva 540 000 J. Esa energía tiene que ir a algún lado durante la frenada o el impacto: calor en los frenos, deformación de la carrocería y daño en el cuerpo. Entender la dependencia cuadrática con la rapidez es entender por qué los límites urbanos son los que son.

Rúbrica de la práctica

La rúbrica no evalúa si te gustó el ejercicio: evalúa si ya puedes hacer la tarea que anuncia el resultado de aprendizaje. Cuatro criterios de los cinco en lo esperado significa que el tema está dominado; tres o menos, conviene repetir la práctica antes de pasar al siguiente objeto.