LA ENERGIA MECANICA 

La energía mecánica se guarda por un cuerpo cuando se producen cambios en las cantidades que describen su movimiento. Por ejemplo, un cuerpo que se mueve con una velocidad determinada o que se encuentra en una posición respecto a un nivel de referencia, o que tiene una deformación determinada puede almacenar energía mecánica, y los cambios de esta energía producen algún tipo de tarea que es aprovechada en procesos tanto macroscópicos como microscópicos.

El movimiento es fundamental a toda escala: a nivel macroscópico, los animales deben moverse en búsqueda de alimento, los humanos nos desplazamos para realizar nuestras actividades diarias, las plantas se mueven hacia las fuentes de luz.

A nivel microscópico, muchas reacciones químicas o procesos de síntesis de proteínas involucran el movimiento de las moléculas. A la energía que almacena un cuerpo por el hecho de estar en movimiento, desde un auto hasta una molécula, se le denomina energía cinética abrir paréntesis (  Ec)  .

Un cuerpo en movimiento va a tener una velocidad determinada. Resulta natural pensar, que mientras mayor sea la velocidad de un cuerpo, mayor será la energía cinética asociada a este.

Además de esto, mientras mayor sea la masa del cuerpo que se mueve, se generan efectos que requieren de un mayor gasto energético, es decir, mientras más masa tenga un cuerpo, mayor energía cinética posee. Si conocemos la velocidad (v) y la masa (m) de un objeto, podemos cuantificar su energía a través de la fórmula:

Las unidades utilizadas para cuantificar la energía en el sistema internacional de medidas (SI) se conocen como Joules o julios. Una energía cinética de 1 J puede entenderse como la energía que tiene un cuerpo de 1 kg de masa, cuando se mueve con una velocidad de 1 m/s.

La energía que está almacenada en un cuerpo y tiene la potencialidad de ser utilizada para producir algún tipo de efecto, recibe el nombre de energía potencial (E p ).

Los tres tipos de energía mecánica juegan un papel fundamental en las diferentes etapas de un salto de bungee.

Existen dos características importantes sobre la energía potencial que puede tener un cuerpo. Primero, la energía potencial de un cuerpo depende de las coordenadas que este tiene, y las variaciones de dicha energía surgieron de las posiciones que pueda tener el cuerpo en diferentes instantes.

La otra característica está relacionada con los mecanismos responsables de que comiencen las variaciones en la energía potencial como algunos tipos de fuerzas que garantizan que, entre dos instantes diferentes, el cambio en la energía potencial depende de los puntos iniciales y finales, y no de la trayectoria que haya seguido el cuerpo entre dichos puntos.

Dependiendo de los tipos de fuerzas que generen las variaciones mencionadas, podemos establecer categorías para la energía potencial. Es interesante mencionar dos tipos que juegan un papel dominante en el movimiento de los cuerpos a escala humana. Cuando un cuerpo se encuentra en una posición respecto a un punto que se toma como nivel de referencia, puede afirmarse que este cuerpo tiene una energía potencial gravitacional (  E pg  ). Esta energía potencial gravitacional aumenta mientras mayor sea la diferencia de altura (h) entre la posición del objeto y el nivel de referencia, y mientras mayor sea la masa del cuerpo (m). Cerca de la superficie de la Tierra dicha energía se cuantifica como:

Siendo g igual 9,8 m/s 2 la aceleración con la que cae un cuerpo cerca de la superficie de la Tierra. La fuerza responsable de que se producirán cambios en la energía potencial gravitacional es aquella asociada al campo gravitacional de la Tierra, la cual denominamos peso. Los cuerpos elásticos también pueden almacenar energía en situaciones en las que las variaciones de la posición del objeto no se presentan por la traslación respecto a un punto de referencia, sino por cambios en su forma o deformaciones. En este caso, la fuerza que produce los cambios de energía se denomina fuerza elástica, que es proporcional a la deformación a cual se somete el objeto (x). La energía que se almacena en este caso recibe el nombre de energía potencial elástica (  E pe), y depende de qué tanto se deformó el cuerpo, y de una propiedad del material que mide la resistencia que tiene el objeto a ser deformado, llamada constante elástica (k) cuyas unidades son N/m. Este tipo de energía se calcula como:

lo que demuestra que mientras mayor sea la deformación que se genere, mayor será la energía almacenada, y que, para iguales deformaciones, los cuerpos más rígidos almacenarán una mayor cantidad de energía.

La energía cinética depende del objeto, de su masa y su velocidad. Un glóbulo blanco se mueve con una velocidad de 40 cm/s en la zona cercana a la aorta, mientras que la velocidad con que la Tierra orbita el Sol es de aproximadamente 30 km/s. Estas desigualdades en las velocidades y las grandes diferencias de masa entre un glóbulo rojo y la Tierra implican que la energía cinética de la Tierra en su movimiento de traslación sea 1.049 veces la energía cinética de un glóbulo rojo.

El concepto de trabajo en la física difiere radicalmente del uso tradicional de la palabra. Si bien muchos trabajos requieren del uso de fuerzas, el concepto físico está relacionado con la acción de una sobre un cuerpo y del desplazamiento del mismo en la dirección de esta fuerza, que dependiendo del sentido en el que actúa, aumenta o disminuye su energía cinética . Un ejemplo a nivel macroscópico de este principio es lo que ocurre durante el acelerado y frenado de un automóvil.

El Dr. Ben Feringa y su grupo de investigación en 1999, lograron construir una molécula cuyo movimiento no ocurrió al azar, sino por la fuerza electromagnética generada por un haz de luz ultravioleta que incidió sobre ella.

La acción de esta fuerza se dio en la dirección necesaria para que se realice el trabajo sobre la molécula, y así producir un aumento en su energía cinética, para que se pusiera en movimiento.

Este planteamiento experimental fue implementado en 2011, en la construcción de un vehículo molecular, que le ayudó a Ben Feringa y dos investigadores más compartieron el Premio Nobel de Química en 2016, por el desarrollo de las máquinas moleculares.

Con lo hasta ahora mencionado se identifica el concepto físico de trabajo con cambios en las velocidades que tiene un cuerpo, y como consecuencia con cambios en la energía cinética del mismo. Para cuantificar el trabajo es necesario conocer la magnitud de la fuerza y ​​el desplazamiento que se produce cuando esta actúa. El trabajo se puede cuantificar como:

Donde F representa la magnitud de la fuerza yd la magnitud del desplazamiento. La ambigüedad en el signo mostrado en la expresión queda evidente al considerar la siguiente situación. Si la fuerza actúa en la misma dirección en la que se produce el desplazamiento, el efecto que se observa es el aumento de la velocidad, tal como ocurre cuando empuja a un amigo montado en un columpio. Cuando quieres impulsar a tu compañero, ejerces una fuerza en la misma dirección en la que se produce el desplazamiento, en este caso observas que la velocidad con la que se mueve el compañero aumenta, lo que quiere decir que la fuerza que ejerces sobre él realiza un trabajo positivo, que produce un aumento en la energía cinética.

En el caso contrario, en el que tu compañero decide empujarte cuando te estás desplazando hacia él, el efecto de esta fuerza produce que la velocidad disminuya. En este caso, la dirección de la fuerza es contraria a la dirección del desplazamiento y tu compañero estaría realizando un trabajo negativo sobre tu cuerpo, lo que genera una disminución en la energía cinética, la cual se puede evidenciar porque la velocidad disminuye.