La energía cinética y el movimiento
Según la mecánica clásica, con el concepto de energía nos referimos, en síntesis, a la capacidad de desarrollar la fuerza y realizar un determinado trabajo por parte de un cuerpo o un sistema: la medición de la energía está correlacionada con la propia fuerza y el resultado de este trabajo. La energía cinética (K) es aquella energía generada por un cuerpo mientras se mueve: por lo tanto, equivale al trabajo necesario para que alcance una cierta velocidad a partir de cero. Un ejemplo de energía cinética puede ser, para simplificar el concepto al máximo, el viento o el agua que empuja las aspas de un molino.
Cuando un cuerpo cambia de velocidad, su energía cinética también cambia: el trabajo es equivalente a este cambio de energía . Esto significa que la energía cinética está ligada a la masa y la velocidad de un objeto en movimiento, mientras que durante la caída equivale al trabajo que realiza el cuerpo para detenerse.
La fórmula de la energía cinética en breve
Una propiedad de la energía cinética es ser directamente proporcional a la masa del cuerpo y al cuadrado del módulo de su velocidad: un cuerpo con doble masa de otro desarrollará, por lo tanto, una doble energía cinética manteniendo la misma velocidad, mientras que entre dos cuerpos de igual masa, el de doble velocidad desarrollará una alta energía cinética al cuadrado. Dado que es una energía estrechamente relacionada con la velocidad, cualquier cuerpo que tenga una velocidad, aunque sea mínima, tiene su propia energía cinética que puede ser determinada a través de estas proporciones.
La fórmula de la energía cinética es la siguiente:
K=1/2 * m * v 2
donde m es la masa del cuerpo (por ejemplo, el peso) y v el módulo de velocidad (por ejemplo, la velocidad por segundo). La unidad de energía cinética es el joule (J)
La energía cinética nunca tiene un valor negativo y, al ser una cantidad relativa, varía según el sistema de referencia: si un objeto en movimiento tiene una energía igual a un cierto valor según el punto de vista de un observador estacionario, el mismo valor sería igual a cero si el observador estuviera dentro del propio objeto. Si el cuerpo varía su velocidad bajo la acción de una fuerza, la energía cinética también cambiará en consecuencia: la variación de la energía es igual a la diferencia entre el valor original y el valor final. Obviamente, pueden ocurrir situaciones en las que no sólo la velocidad sino también la masa variará.
El teorema de la energía cinética
Según el teorema de la energía cinética (también llamado teorema de las fuerzas vivas ), el trabajo realizado por una fuerza aplicada a un cuerpo es igual a la variación de la energía cinética. El teorema de la energía cinética deriva del segundo principio de la dinámica, en el que se afirma que un cuerpo sometido a una fuerza experimenta una aceleración y, por tanto, una variación de la velocidad.
En la práctica, imaginando que se aplica una fuerza a un objeto estacionario para moverlo, el resultado del trabajo realizado será el aumento de la velocidad debido al desplazamiento, y el aumento relativo de la energía cinética: considerando que, en este caso, la velocidad inicial es igual a cero, el trabajo será igual a la energía cinética final.
Energía cinética y energía potencial
La energía mecánica de un cuerpo es la suma de la energía cinética y potencial. La energía cinética está ligada al movimiento, por lo tanto al trabajo necesario para que un cuerpo alcance una cierta velocidad a partir de cero, mientras que la energía potencial es aquella energía que posee el cuerpo en función de su posición en un campo de fuerza: es la situación de la fuerza de gravedad de la Tierra. En este caso la energía depende proporcionalmente de la masa del cuerpo, la aceleración debida a la gravedad y el espacio de caída.
Cuando un objeto cae, inicialmente la energía potencial está al máximo, y la energía cinética es cero: durante la caída, la situación se invierte, y la energía cinética reemplaza a la energía potencial , que será cero al final de la caída. En el caso de una caída en el vacío (en ausencia de aire y por lo tanto de fricción), la suma de las dos energías nunca cambia.
Energía cinética aplicada al medio ambiente
Los mecanismos de la energía cinética ofrecen diferentes posibilidades de aplicación al medio ambiente. Los molinos de agua y las presas permiten producir electricidad, y en las zonas donde el viento es siempre fuerte, las turbinas eólicas ofrecen un enorme potencial.
El sistema operativo del coche híbrido también utiliza la energía cinética , usando la energía de frenado para acelerar el vehículo, y recientemente se ha desarrollado una tecnología para recuperar y reutilizar la energía cinética producida por los trenes ferroviarios.
Cómo funcionan los coches híbridos
Los coches híbridos son sólo coches en los que el motor térmico también funciona con un motor eléctrico que actúa como soporte, especialmente durante los arranques estacionarios y las fases de esfuerzo. Estos coches están equipados con dos motores, uno tradicional de combustión interna y otro alimentado por una batería.
El motor de combustión interna transforma la energía química del combustible, mientras que el motor eléctrico transforma la energía disponible a bordo de diferentes maneras . La energía eléctrica puede ser almacenada usando varios dispositivos, incluso simultáneamente. Concretamente, se pueden utilizar: baterías, que también son útiles para almacenar energía e intercambiar potencia; supercapacitores, que tienen una menor densidad de energía pero pueden intercambiar más potencia; volantes eléctricos, la energía almacenada como energía cinética dada por la rotación, es un proceso mecánico. El motor híbrido tiene muchas ventajas, reduce el consumo y las emisiones contaminantes, es silencioso y fiable.
Sistema de serie y paralelo
El sistema que se genera, que permite la integración del motor térmico y el motor eléctrico, se llama tren de potencia. Este sistema puede ser en paralelo o en serie.
En el sistema paralelo , hablamos de bimodal, el motor de combustión recarga las baterías y mueve el vehículo alternativamente o junto con el motor eléctrico. El objetivo es aumentar la eficiencia general del coche. Este es el sistema utilizado para algunos de los coches más recientes. Por lo tanto, el motor de combustión siempre funciona constantemente, a una velocidad óptima, reduciendo las emisiones y el consumo de combustible. El motor eléctrico, por otro lado, proporciona la energía extra necesaria para los cambios de gradiente y aceleración. Si hay un «excedente» de energía en el motor de combustión, se utiliza para recargar las baterías del coche. La recarga en lugar del motor eléctrico viene dada por la energía cinética que se recupera durante el frenado , que se genera cuando se pisa el freno y cuando se quita el pie del acelerador.
En el caso del tren de potencia en serie , hablamos de autonomía extendida. El motor endotérmico actúa como un generador que recarga las células que alimentan la unidad de emisión cero, y luego suministra energía auxiliar al motor eléctrico. Sin embargo, esto no está conectado a las ruedas motrices. La tracción es eléctrica y sólo en este tipo de sistema se conecta a las ruedas en su lugar. El concepto de la tecnología en serie, es tener coches eléctricos. De esta manera el coche puede funcionar completamente eléctrico, en distancias cortas. El motor de gasolina puede ser usado para permitir viajes más largos.
