Todo lo que necesitas saber sobre la energía cinética

Antes de comentar la definición de energía cinética, consideramos esencial subrayar algunos aspectos. Hay distintas formas de energía (la eléctrica, la mecánica o el calor, por citar algunos ejemplos), pero todas se clasifican en dos grandes grupos.

El primero es la energía potencial, que es la que un cuerpo tiene por estar dentro de un campo de fuerzas. Al mismo tiempo, es también la que tiene un sistema gracias a la estructura de su campo de fuerzas interno. El segundo grupo es la energía cinética, que ahora definimos.

¿Qué es la energía cinética?

Esta es la que tiene un cuerpo debido a su movimiento. Consiste en la capacidad o el trabajo que facilita que un objeto pase de un estado de reposo total a moverse a cierta velocidad. Ten en cuenta que:

Cuando un objeto está quieto, su coeficiente de energía de este tipo es cero.

• En cuanto se pone en movimiento y comienza a acelerar, el coeficiente irá creciendo progresivamente. Todo dependerá de la altura o la distancia que recorra. Llegado a un punto, comenzará a descender la velocidad.
• Finalmente, antes de volver a su estado inicial, tendrá que recibir la misma cantidad de energía negativa o contraria a la que necesitó para moverse. Suele suceder, o bien porque alguien o algo detiene su recorrido, o bien por la acción de la gravedad.

La definición de la física es la cantidad de trabajo que realizan las fuerzas que actúan sobre un cuerpo con una masa concreta. Se consideran fuerzas todas las acciones necesarias para acelerar el objeto de la velocidad inicial hasta la final.

En cuanto se alcanza la velocidad de aceleración, actúa la ley de la inercia. Es decir, la cantidad de cinética que se acumule durante el proceso permanece constante salvo que otra fuerza actúe sobre el objeto. En este caso, cambiarán tanto la velocidad como la cantidad de energía generada.

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Energía potencial y cinética: ¿qué diferencias hay entre estos tipos de energía?

Hay quien tiende a confundirlas, ya que la suma da como resultado la energía mecánica (Em). Aun así, en realidad son dos energías totalmente distintas, puesto que:

• La potencial depende de la posición del objeto o sistema respecto al campo de fuerzas que lo rodea. Así, se divide en tres tipos. La gravitatoria está ligada a la altura de los objetos y a la atracción que ejerza la gravedad sobre ellos. La elástica es la que confirma que, en ocasiones, el objeto tiende a recuperar su forma inicial en cuanto desaparece la fuerza externa. Es el caso de los muelles o los resortes. Finalmente, la eléctrica es el trabajo negativo que realiza la fuerza electroestática para mover un objeto de su posición inicial a la final.
• La cinética depende exclusivamente del movimiento del objeto. Lo más frecuente es que la energía cinética de traslación y la de rotación se encuentren combinadas en una energía cinética mixta. Las características de estos tipos son las siguientes. La de traslación es la que desarrolla un objeto que sigue una trayectoria lineal. La de rotación es la que genera el objeto cuando gira sobre sí mismo. Por lo tanto, el tipo de movimiento del objeto define también el de energía y lo que podría suceder durante su recorrido.

Energía cinética: fórmula para calcularla

Ahora que sabes qué es la energía cinética, llega el momento de explicar cómo se calcula. Este tipo de energía se reconoce por las siglas Ec. Su cálculo dependerá de la masa y de la velocidad que alcance el cuerpo que se mueve. La unidad de medida son los Julios (J), mientras que la masa se mide en kilogramos y la velocidad, en metros por segundo.

Así, al hablar de energía cinética y su fórmula, obtenemos que esta es: Ec = ½ mv². No olvides que el cálculo puede variar dependiendo de las características del objeto, la masa y la velocidad. Además, tendrás que utilizar las reglas de la mecánica clásica, relativista o cuántica.

La energía cinética según el tipo de estudio

Como acabamos de explicar, son tres los tipos de mecánica que afectan a su cálculo. Te explicamos el funcionamiento de cada uno de ellos:

• Mecánica clásica. Dependerá de la masa y de la velocidad del cuerpo, que siempre será inferior a la de la luz.
• Mecánica relativista. Es la que analiza algunos fenómenos en los que la velocidad del objeto (v) se acerca a la de la luz (en física se expresa con la letra ce). En este caso, el cálculo dependerá de la relación entre v y c.
• Mecánica cuántica. Consiste en el marco más complejo, al incluir la descripción de partículas como los electrones. Es decir, las magnitudes físicas se describen con funciones de onda como representación de posibilidades.

Algunos ejemplos de energía cinética

Te damos algunos ejemplos para que te sea más fácil entender en qué consiste y cómo funciona exactamente.

Una clase divertida

Imagínate que estás en una clase de astronomía y quieres encestar una bola de papel en la papelera. Calculas la trayectoria y la fuerza que has de hacer para conseguir tu propósito y aplicas exactamente la necesaria para lanzar la bola. En cuanto esta sale de tu mano, comienza a acelerar aumentando su coeficiente de Ec de cero a equis (dependiendo de la velocidad).

Si el lanzamiento traza una parábola en el aire, la bola alcanzará el coeficiente máximo cuando llegue al punto más alto. En cuanto comience el descenso hacia la papelera, comenzará a bajar la fuerza cinética. Es entonces cuando entra en juego la ley de la gravedad, que atrae la bola hacia el suelo, y cuando la Ec se convierte en energía potencial. En cuanto la bola se detenga, en el suelo o en el fondo de la papelera, su coeficiente de energías será cero.

Quizá un compañero apueste por detener la trayectoria de la bola durante su ascenso. Para hacerlo, tendrá que aplicar la misma fuerza que usaste para lanzarla, pero en sentido contrario. Si cambias la bola de papel por una de hierro, por ejemplo, la fuerza será mayor, pero también será más veloz la caída y mayor la cantidad de energía generada.

Un día de lluvia

Roldán Soriano publicó en 2016 un interesante estudio en el que iba un poco más allá de la mera teoría. Analizó cómo la lluvia también genera Ec, aunque con matices que no tienen relación con los ya comentados. La base de su planteamiento es bastante clara. Cada gota de lluvia es atraída hacia el suelo o la tierra por la gravedad y deja de moverse en cuanto cae.

Así, empleó el disdrómetro de Joss y Waldvogel para obtener una ecuación de regresión entre la intensidad de la lluvia y la Ec. El objetivo era buscar cuál es la cantidad máxima de energía cinética que puede generar la lluvia al caer. Los resultados del estudio confirman las leyes de la física arriba indicadas y cómo es posible calcular el nivel de Ec de la lluvia con relativa facilidad.

Otros ejemplos cotidianos

Estamos en el vagón de una atracción como la montaña rusa. Como ya sabrás, el recorrido comienza con un ascenso hasta un punto concreto. Pues bien, cuanto más suba, más energía potencial acumulará. En cuanto comience el descenso, se convertirá en cinética. Por cierto, cuantas más personas haya en el vagón, más energía se generará.

La efusividad con un/a amigo/a es otro ejemplo perfecto. Si hace mucho tiempo que no le ves, es frecuente que te lances hacia él/ella para darle un abrazo. Durante tu carrera irás acumulando energía cinética que se convertirá en inercia cuando quieras abrazarle. El resultado será que los dos terminaréis en el suelo, pero ya con la Ec a cero.

¿En qué ámbitos es necesario medir la energía cinética?

Si bien se relaciona directamente con la física, su medición tiene una vital importancia en distintos sectores. Uno de ellos es el de las energías renovables. No en vano, los molinos de viento se han convertido en generadores de energía eléctrica, y conocer la cinética que desarrollan es esencial para confirmar su rendimiento. Asimismo, el mantenimiento de los molinos depende de la energía generada. A mayor cantidad, más desgaste y más necesidad de reparación o revisión dependiendo del caso.

Sucede lo mismo en áreas cómo la seguridad en la fabricación de vehículos. Las pruebas que se realizan con maniquíes estudian, precisamente, la cantidad de energía que admiten los cinturones. De forma similar, en la Fórmula 1 se estudia detenidamente la cantidad de energía generada en cada curva o recta del circuito correspondiente. Así, resulta más fácil preparar cada coche para que se adapte mejor a las características de la carrera. Al mismo tiempo, se descubre la presión que recibe el piloto y si esta es soportable durante la competición.

En definitiva, son múltiples las aplicaciones del estudio de un tipo de energía cuyo aprovechamiento permitirá encontrar nuevas y sostenibles alternativas al consumo energético. Si te interesa la energía cinética, no dejes de formarte, ya que puede ser la clave del desarrollo de varios sectores industriales de aquí a unos años.