NO ME SALEN
APUNTES TEORICOS DE FÍSICA
(Leyes de conservación)

ENERGIA Y LEYES DE CONSERVACION

A cada una de ellas -que no por casualidad terminaba midiéndose en las mismas unidades que la cinética- se las llamó energía, más un segundo nombre descriptivo de las características particulares con las que se asociaban.

Así tenemos formas de energía:

      Energía cinética, E_C, fuertemente asociada con la velocidad de un cuerpo.
      Energía potencial, E_P, asociada con la posición en la que se encuentra el cuerpo.
      Energía mecánica, E_M, suma de la cinética más la potencial.
      Energía química, asociada a los enlaces atómicos de las moléculas del cuerpo.
      Energía calórica, calor, Q, asociada al movimiento de las moléculas.
      Energía eléctrica, asociada a las cargas eléctricas.
      Energía nuclear, asociada a los núcleos de los átomos de un cuerpo.
      Energía radiante, en la radiación electromagnética, luz, radio, equis, gamma, etc.
      Energía hidráulica, asociada al agua embalsada.
      Energía eólica, asociada al viento.
      Etcétera, etcétera, etcétera...

Lejos de toda duda, la energía se ha convertido en el concepto más importante de la Física, y su importancia traspasa los límites de la ciencia. La sociedad en su conjunto se está apropiando del concepto y tomando consciencia de su importancia.

Pero ¿qué es la energía? Para un estudiante de Física, aprehender el concepto (y llegar a estar conforme consigo mismo respecto de lo que se entiende por energía) es un proceso que lleva entre uno y dos años (de uso continuado). Ningún estudiante, en su sano juicio, puede pretender entender qué es la energía de un saque leyendo un par de definiciones.

El genio Richard Phillips Feynman (1918–1988), premio Nobel de Física en 1965, escribe en uno de sus libros “Es importante notar que en la física de hoy día no tenemos conocimiento acerca de lo que es la energía... Es un algo abstracto en el sentido de que no nos dice el mecanismo o las razones para las diversas fórmulas”.

La aproximación al concepto de energía más aceptada académicamente es la siguiente: energía es la capacidad de un cuerpo o sistema para ejercer fuerzas y realizar trabajos sobre otros cuerpos. Por mi parte, suelo decir en mis clases: energía, es la parte divertida del universo.

Dónde está la clave

El asunto es que si tomamos algunas variables de un sistema y las combinamos entre sí obtenemos una nueva magnitud que llamamos energía... algo que parece muy arbitrario y que sólo puede complicarnos la vida. Pero si dejamos que el sistema evolucione, se transforme, cambie, y volvemos a hacer la operación, volvemos a calcular la energía... ¡sorpresa! La cantidad calculada es la misma. Aunque todo haya cambiado, la cantidad de energía no cambia. ¡Ahí hay algo! En esa combinación de variables hay algo, algo que debe ser importante (o al menos útil a los fines del cálculo y la predicción).

Más claves. Así como te dije que el trabajo es un proceso, la energía -en cambio- es una característica instantánea. Describe un momento, un estado, de un cuerpo o de un sistema. Es lo que los físico llaman una función de estado.

Leyes de conservación

Sea lo que sea la energía es perfectamente calculable, caracterizable, su presencia medible y su comportamiento predictible. Y se ha visto que en innumerables transformaciones físicas en las que cambian casi todas las variables presentes, ciertas magnitudes que llamamos energías y que son combinaciones algebraicas de las variables (masa, velocidad, altura...) y se mantienen constantes. O cuando no se mantienen constantes, su variación es igual a un trabajo generalmente sencillo de calcular.

Llevado al extremo, y considerando todas las energías presentes en un sistema se ha encontrado un hecho sorprendente que da en llamarse Principio de Conservación de la Energía:

Estudiar la energía de los cuerpos y sistemas no sólo es una fuente de conocimiento enorme de nuestro universo, también constituye una herramienta de cálculo de gran potencia, simplicidad y economía de recursos. Con las leyes de Conservación surge una estrategia de resolución de ejercicios de mucha utilidad que básicamente consiste en:

• elegir un par de situaciones, o estados que te interesen, pueden ser cualesquiera, pero que sean DOS (y sólo dos)...
• comparás esos dos estados -energéticamente hablando-, a través del método más sencillo que existe de comparar: restándolos...
• con esa diferencia (esa comparación) planteás el teorema de conservación que te sea más útil para encontrar las incógnitas que te preocupen,
• y ya.

Aplicando el método, una y otra vez, observando cómo esas magnitudes misteriosas llamadas energía van sumando lo mismo con total precisión aún cuando todo o casi todo lo demás haya cambiado de valor; advirtiendo que aunque no tengamos una definición buena tenemos un método robusto, infalible, potente... de a poco, el concepto de energía va a ir ocupando su lugar en tu entendimiento. Y finalmente no podrás dejar de sonreír cuando alguien te quiera explicar cómo funciona una medicina alternativa que trabaja con las energías positivas y negativas de tu cuerpo.

CHISMES IMPORTANTES:

• Aunque la palabra energía es muy vieja, el primero en sugerir que se llame energía a lo que hoy conocemos como energía fue William Thompson (Lord Kelvin), en 1850, que lo hizo -en especial- para las energías térmica y mecánica.
• En realidad sí puede variar su cantidad total de energía, ya que puede convertirse en materia; y viceversa, la materia puede convertirse en energía. Este es un importante descubrimiento que realizó Einstein en el marco de la Teoría de la Relatividad Especial, que incluye la famosa ecuación de equivalencia entre materia y energía: E=mc². Pero tanto el principio de conservación de la materia como el principio de conservación de la energía se enuncian a implícita excepción de la ocurrencia de fenómenos relativistas que están restringidos a las bombas atómicas, las centrales nucleares, los núcleos estelares y algunas interacciónes subatómicas.
• Las energías se definen -casi todas- en función de Sistemas de Referencia, SR, arbitrarios. De modo que según el SR elegido un cuerpo puede tener más o menos energía. Esta condición, que parece socavar la importancia del concepto de energía, nos resulta indiferente, porque la importancia de la energía (incluso su manifestación) ocurre en las transferencias, en los cambios de forma o en su conversión en trabajo. De modo que aquello verdaderamente medible de la energía son sus cambios, sus diferencias, sus variaciones (en símbolos, ΔE). Y las variaciones son independientes del SR. (Qué alivio).
• Aunque puede representar algunas otras cosas, el dinero representa -fundamentalmente- energía en cualquiera de sus formas.
• Desde que se logró una primera cuantificación de la información (en la era de la computación) quedó claro que se trata de una forma -insospechada- de energía.

Una represa convierte
energía
potencial
en
energía eléctrica

PREGUNTAS CAPCIOSAS:

• ¿Qué tiene que ver con la energía el siguiente aviso tomado del diario: "Tarot, Energía Positiva, Ayuda Espiritual, informes al..."