Energía cinética: qué es, fórmula y ejemplos prácticos
Descubre qué es la energía cinética, aprende su fórmula paso a paso y explora ejemplos prácticos y cotidianos para entender sus transformaciones y aplicaciones.
La energía cinética es la energía que tiene un objeto debido a su movimiento. Esta energía puede convertirse en otros tipos, como la energía potencial gravitatoria o eléctrica, que es la energía que tiene un objeto debido a su posición en un campo gravitatorio o eléctrico.
¿Qué es exactamente la energía cinética?
La energía cinética es una magnitud escalar que cuantifica la capacidad de un cuerpo en movimiento para realizar trabajo. Depende de dos factores fundamentales: la masa del objeto y la velocidad a la que se desplaza. Debido a que depende del cuadrado de la velocidad, si duplicas la velocidad de un objeto su energía cinética aumenta por un factor de cuatro.
Fórmula y unidades
La expresión más común de la energía cinética traslacional (del movimiento lineal) es:
K = 1/2 · m · v²
- K: energía cinética (en joules, J).
- m: masa del cuerpo (en kilogramos, kg).
- v: rapidez o velocidad del cuerpo (en metros por segundo, m/s).
Recuerda convertir velocidades expresadas en km/h a m/s dividiendo por 3.6 (por ejemplo, 90 km/h = 25 m/s).
Cálculo paso a paso: ejemplos prácticos
- Ejemplo 1 (pelota): Una pelota de 0.5 kg lanzada a 10 m/s.
K = 1/2 · 0.5 · 10² = 0.25 · 100 = 25 J.
- Ejemplo 2 (coche): Un coche de 1.200 kg circula a 20 m/s (≈72 km/h).
K = 1/2 · 1.200 · 20² = 600 · 400 = 240 000 J (240 kJ).
- Ejemplo 3 (coche a velocidad mayor): Un coche de 1.500 kg a 90 km/h (25 m/s).
K = 1/2 · 1.500 · 25² = 750 · 625 = 468 750 J (≈4.69·10^5 J).
Energía cinética rotacional
Cuando un objeto rota, también posee energía cinética asociada a su rotación. La expresión análoga es:
K_rot = 1/2 · I · ω²
- I: momento de inercia del objeto (kg·m²).
- ω: velocidad angular (rad/s).
En cuerpos que combinan traslación y rotación (por ejemplo, una rueda que rueda sin deslizar), la energía cinética total es la suma de la traslacional y la rotacional.
Teorema trabajo-energía y conservación
El teorema trabajo-energía establece que el trabajo neto realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética:
W_net = ΔK
En sistemas aislados, la energía mecánica total (suma de energía cinética y energía potencial) se conserva si no hay fuerzas disipativas (rozamiento, fricción, deformaciones plásticas). En choques, la energía cinética puede:
- Conservarse en choques elásticos (se transforma entre cuerpos sin pérdida en calor o deformación).
- Disminuir en choques inelásticos, convirtiéndose en calor, sonido o energía interna.
Aplicaciones y ejemplos cotidianos
- Frenado de vehículos: los frenos convierten la energía cinética del vehículo en calor mediante fricción.
- Deportes: la energía cinética determina el impacto de un balón, un golpe de bate o el alcance de un lanzamiento.
- Generación eléctrica: turbinas en centrales transforman la energía cinética del fluido (agua, vapor, aire) en energía mecánica y luego en eléctrica.
- Seguridad: superficies que absorben energía en choques (airbags, deformaciones controladas) reducen la energía cinética transferida a las personas.
Notas finales
La energía cinética es un concepto central en la física y la ingeniería porque cuantifica la capacidad de un cuerpo en movimiento para realizar trabajo o causar efectos (como daños en colisiones). Entender su dependencia en la masa y, especialmente, en el cuadrado de la velocidad es clave para evaluar riesgos, diseñar sistemas de seguridad y optimizar máquinas y vehículos.
Diferencia entre energía cinética y potencial
La energía cinética es la cantidad máxima de trabajo que puede realizar un cuerpo en movimiento debido a su movimiento, mientras que la energía potencial es la cantidad máxima de trabajo que puede realizar un cuerpo debido a su configuración o posición en un campo de fuerza. La energía cinética es válida para todo tipo de fuerzas, como se ve en esta derivación.
F ⋅ d x = d p d t ⋅ d x = d p d t ⋅ v d t = v ⋅ d p d t d t = v ⋅ d p {\cdot dmathbf {F} d\cdot d\mathbf {x} =\frac {d\mathbf {p} {{dt}} d\cdot d\mathbf {x} ={\frac {d\mathbf {p}} dt} {\mathbf {v} dt=\mathbf {v} {\cdot {\frac {d\mathbf {p}}dt} dt=mathbf {v} \cdot d\mathbf {p} } 
pero la energía potencial no lo es, como puede verse aquí
F ⋅ d x = - ∇ V ⋅ d x = - ∂ V ∂ x i ⋅ d x i = - d V {\displaystyle \mathbf {F} \cdot d\mathbf {x} =-\nabla V\cdot d\mathbf {x} =-\frac {parcial V}{parcial x} \cdot d\mathbf {x} =-\nabla V\cdot d\mathbf {x} =-{frac {\parcial V}{parcial x_{i}}\cdot dx_{i}=-dV} 
lo que sugiere claramente que sólo las fuerzas conservativas pueden tener energía potencial asociada.
Energía cinética traslacional
La energía cinética de traslación de un objeto es:
E t r a n s l a c i ó n a l = 1 2 m v 2 {\displaystyle E_{translational}={frac {1}{2}}mv^{2}} 
donde
m {\displaystyle m}
es la masa (resistencia a la aceleración o desaceleración lineal);
v {\displaystyle v}
es la velocidad lineal.
Energía cinética de rotación
La energía cinética rotacional de un objeto es:
E r o t a c i o n a l = 1 2 I ω 2 {\displaystyle E_{rotacional}={frac {1}{2}}I\omega ^{2}} 
donde
I {\displaystyle I}
es el momento de inercia (resistencia a la aceleración o desaceleración angular, igual al producto de la masa por el cuadrado de su distancia perpendicular al eje de rotación);
ω {\displaystyle \omega \ }
es la velocidad angular.
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