Mentor: ¿Qué te viene a la mente cuando digo que una persona tiene mucha energía?
Alumno: Esa persona es muy activa, hace muchas cosas rápidamente, etc.
Mentor: Correcto, y la definición científica de energía no es muy diferente de esa idea. Básicamente, la energía es la capacidad de hacer trabajo.
Estudiante: Pero la gente con energía no siempre está haciendo trabajo. La definición científica de trabajo es diferente de la definición normal?
Mentor: ¡Exactamente! En términos científicos, el trabajo es la fuerza ejercida en paralelo a la dirección del movimiento. Se te ocurre un ejemplo?
Alumno: Cuando levantas una caja, estás ejerciendo una fuerza hacia arriba, la caja se está moviendo hacia arriba y estás realizando un trabajo.
Mentor: Correcto. Dado que la energía es la capacidad de hacer trabajo, ¿sabes qué tipos de energía existen?
Alumno: Bueno, como la energía tiene que ver con el movimiento de los objetos, ¿existe la energía del movimiento?
Mentor: Sí, esto se llama energía cinética. Cualquier objeto que se mueve se dice que tiene energía cinética. Ahora bien, ¿qué ocurre con la energía si se lanza una pelota al aire?
Alumno: Veamos… A medida que la pelota se eleva en el aire, la velocidad de la pelota disminuye. Significa eso que la energía disminuye? Y luego, cuando baja y se acelera, ¿la energía aumenta?
Mentor: La energía cinética sí disminuye cuando la pelota sube en el aire y se frena. Luego, cuando la pelota baja y aumenta su velocidad, la energía cinética aumenta. ¿Sabes por qué estoy especificando la energía cinética?
Alumno: ¿Hay otros tipos de energía además de la energía cinética?
Mentor: ¡Eso es exactamente! Según la Ley de Conservación de la Energía, la cantidad de energía en un sistema debe permanecer siempre constante. Pero sabemos que la energía cinética disminuye y aumenta cuando lanzamos una pelota al aire. ¿Cómo crees que ocurre esto?
Alumno: Definitivamente, la energía cinética disminuye y aumenta, así que supongo que debe haber otro tipo de energía que el objeto obtiene al elevarse.
Mentor: Muy correcto, este tipo de energía se llama energía potencial. ¿Recuerdas que dije que la energía es simplemente la capacidad de realizar un trabajo? A medida que los objetos se mueven más alto en el aire, su energía potencial aumenta debido al efecto de la gravedad: una pelota en lo alto del aire puede dejarse caer, lo que le permite realizar trabajo.
Estudiante: Eso tiene sentido. Supongo que si se lanza una pelota al aire, la energía potencial debe aumentar a medida que la energía cinética disminuye, y viceversa, para que la energía total sea siempre la misma.
Mentor: Sí. La energía potencial tiene que ver con la altura a la que se encuentra un objeto y la forma en que la gravedad tira de él. Pero basta con la energía potencial y cinética, ¿hay otros tipos de energía?
Alumno: No conozco otras formas de hacer trabajo que no sean mover objetos.
Mentor: Bueno, si no puedes pensar en ningún otro tipo de energía, intenta usar la Ley de Conservación de la Energía de nuevo. Por qué un tren se detiene si pones los frenos? Está perdiendo energía cinética pero no está ganando energía potencial.
Estudiante: Siempre he oído que los trenes se paran debido al rozamiento, así que el rozamiento debe ser un tipo de energía.
Mentor: Estás en el camino correcto. La fricción en realidad incluye varios tipos diferentes de energía que puedes percibir cuando un tren se detiene:
- Energía térmica, que es el calor que se puede crear a través de la fricción.
- Energía sónica, que es el sonido que se oye cuando un tren chirría al detenerse.
- Energía lumínica, que puede verse en forma de chispas que saltan o el metal caliente del tren que brilla en rojo.
Estudiante: Así que esto significa que cuando usted está comprobando para asegurarse de que la energía total se mantiene constante, usted tiene que incluir todas estas otras formas de energía también.
Mentor: ¡Correcto! Sin embargo, todavía hay algunos tipos más de energía a considerar.
Estudiante: Un momento, ¿cómo encuentran realmente los físicos todos estos tipos de energía? Cómo pueden saber si algo es energía o no?
Mentor: La forma más fácil de encontrar otros tipos de energía es imaginar un ejemplo del mundo real donde parece que la energía no se conserva. La Ley de Conservación de la Energía es siempre correcta, por lo que debe haber uno o más tipos de energía para compensar cualquier carencia. Por ejemplo, ¿qué sucede con las energías de alguien mientras salta en un trampolín?
Alumno: Al aterrizar, su velocidad y energía cinética disminuyen, pero están bajando por lo que su energía potencial también disminuye. Las camas elásticas emiten sonidos y desprenden un poco de calor cuando saltan sobre ellas, pero no puede ser suficiente para invertir totalmente su caída. Además, de alguna manera, cuando aterrizas se almacena suficiente energía para enviarte al cielo una vez más. Por lo tanto, debe haber algún tipo de «energía de resorte» que los trampolines ganan al estirarse.
Mentor: Sí, la «energía del resorte» a la que te refieres se llama energía mecánica y describe la energía almacenada de los resortes, las bandas elásticas y, sí, los trampolines.
Estudiante: Eso parece bastante fácil. Hay otros tipos de energía?
Mentor: Hay tres formas más de energía. Puedes averiguar alguna de ellas a partir de tu vida y experiencias?
Alumno: Bueno, cuando enciendo una luz algo debe estar creando energía lumínica, entonces ¿la electricidad es un tipo de energía?
Mentor: Absolutamente, la energía electromagnética -la energía de las partículas cargadas electromagnéticamente- es una de las formas más convenientes de energía porque puede ser transferida a grandes distancias y almacenada fácilmente en forma de baterías. Básicamente, la energía electromagnética es la energía de atracción entre partículas cargadas positiva y negativamente. Un flujo de electrones que circula por un cable es como el agua que corre por un arroyo: la fuerza de su movimiento puede utilizarse para realizar un trabajo.
Alumno: Y vemos ese tipo de energía en todos los aparatos electrónicos que utilizamos, ¿verdad?
Mentor: ¡Correcto! Aunque los físicos están trabajando actualmente en una llamada Gran Teoría Unificada que combinaría la fuerza electromagnética y la gravitatoria, por lo que sus hijos quizá sólo tengan que aprender un tipo menos de energía y fuerza.
Estudiante: Vaya, a veces olvido que la física sigue cambiando a medida que se hacen nuevos descubrimientos. Normalmente se tiende a pensar que los estudios matemáticos son fijos, pero en realidad las teorías se cambian todo el tiempo a medida que se hacen nuevos descubrimientos.
Mentor: Buen punto. De hecho, una de las formas más modernas de energía se teorizó por primera vez en 1905 y se utilizó con éxito en la década de 1940: la energía nuclear. Pero aún queda una forma de energía conocida. Pensemos en la combustión de la madera. ¿Cuáles son las entradas y salidas de energía?
Alumno: Veamos, para quemar madera primero hay que prenderle fuego, lo que requiere energía térmica, pero luego la madera produce mucha más energía térmica y luminosa que la chispa que inició el fuego. A lo mejor la madera pierde masa al arder, ya que después del fuego siempre queda menos ceniza que la que había antes.
Mentor: Es una idea interesante, pero la única forma de convertir la materia en energía es mediante un proceso nuclear, y evidentemente una hoguera no provoca una explosión nuclear. Toda la masa perdida que mencionas sale del fuego en forma de humo y vapor de agua. No, la energía de la madera es algo totalmente diferente: energía química.
Estudiante: Entonces, ¿la energía química es la energía almacenada en cualquier cosa inflamable?
Mentor: Cualquier cosa inflamable tiene energía química, ciertamente, aunque la energía química también puede almacenarse en objetos no inflamables. En general, la energía química es la energía almacenada en los enlaces entre átomos. Cuando la madera arde, esos enlaces se rompen y su energía se libera en forma de luz y calor.
Alumno: Así que la energía química es específica de la sustancia, como la energía térmica.
Mentor: Sí, muchos de los tipos de energía están relacionados entre sí. Sin embargo, lo más importante es recordar la Ley de Conservación de la Energía. No importa el problema que estés resolviendo, la energía total del sistema debe permanecer siempre constante.