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Sección 3: Energía — Trabajo mecánico, termodinámica, luz y campo eléctrico

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Respuesta rápida

No hay ejercicios: es la portada de la Sección 3 (Energía), que muestra la transformación energía cinética ↔ energía potencial y lista los temas 12 a 15.

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Solución — Página 159

Fisica 1° · 2024

Sección 3: Energía

Esta página NO contiene ejercicios: es la portada de la Sección 3 del libro de Física del Bachillerato General Unificado (Ecuador, 2024). Su función es presentar el bloque de temas.

Contenido conceptual de la página

La ilustración muestra a un ciclista recorriendo una colina y rotula tres momentos del movimiento:

Subida (energía cinética): el ciclista posee energía cinética, $E_c = \frac{1}{2}mv^{2}$ , asociada a su velocidad mientras asciende.
Cima (energía potencial): al llegar al punto más alto, la energía se almacena como energía potencial gravitatoria, $E_p = mgh$ , donde $m$ es la masa, $g \approx 9{,}8\,\text{m/s}^{2}$ es la aceleración de la gravedad y $h$ la altura.
Bajada (energía cinética): al descender, la energía potencial se convierte nuevamente en energía cinética y el ciclista gana velocidad.

En ausencia de rozamiento, la conservación de la energía mecánica establece:

$E_{m\ec} = E_c + E_p = \text{constante}$

Es decir, $\frac{1}{2}mv^{2} + mgh = \text{constante}$ , de modo que la energía total se mantiene aunque cambie de una forma a otra. Con fricción, parte de la energía mecánica se disipa como calor (energía térmica), lo que enlaza este ejemplo con el tema de termodinámica.

Temas que aborda la Sección 3

Nº	Tema	Contenido esencial
12	Trabajo mecánico y energía	$W = F\cdot d\cdot\cos\theta$ , tipos de energía, conservación y transformaciones
13	Termodinámica	Temperatura, calor, leyes de la termodinámica, máquinas térmicas
14	La luz y sus propiedades	Naturaleza de la luz, reflexión, refracción, lentes, espectro electromagnético
15	Campo eléctrico	Carga eléctrica, ley de Coulomb, campo eléctrico y su medida

La progresión es coherente: se parte de la energía mecánica macroscópica (trabajo y energía), se pasa a la energía en sistemas térmicos (termodinámica), luego a la energía radiante (luz) y finalmente a la energía asociada a las cargas eléctricas (campo eléctrico).

Contenido de la página

SECCIÓN 3 — ENERGÍA

Temas:

Trabajo mecánico y energía
Termodinámica
La luz y sus propiedades
Campo eléctrico

Ilustración de la portada

Un ciclista sube y baja una colina; la cima está rotulada «energía potencial» y los tramos de subida y bajada están rotulados «energía cinética».

Fuente: https://n9.cl/4k4j5

Ejemplos resueltos

Un ciclista de masa $m=70\,\text{kg}$ alcanza una colina de altura $h=10\,\text{m}$ . Despreciando la fricción, ¿con qué velocidad llega a la cima si parte del reposo?

Energía potencial en la cima: $E_p=mgh=70\cdot 9{,}8\cdot 10=6.860\,\text{J}$ .
Por conservación: $E_c=E_p=\frac{1}{2}mv^{2}$ .
Despejamos: $v=\sqrt{\frac{2E_p}{m}}=\sqrt{\frac{2\cdot 6.860}{70}}=\sqrt{196}=14\,\text{m/s}$ .
Respuesta: $v=14\,\text{m/s}$ (aprox. $50{,}4\,\text{km/h}$ ).

Tabla

Nº	Tema	Idea central
12	Trabajo mecánico y energía	Cómo las fuerzas transfieren energía
13	Termodinámica	Calor, temperatura y sus transformaciones
14	La luz y sus propiedades	Naturaleza y comportamiento de la luz
15	Campo eléctrico	Interacción entre cargas eléctricas

Diagrama

flowchart TD
    A[Energía mecánica total] --> B[Energía cinética Ec = 1/2 mv²]
    A --> C[Energía potencial Ep = mgh]
    B -->|sube la cima| C
    C -->|baja la colina| B
    B -.->|fricción| D[Energía térmica / calor]
    C -.->|fricción| D

Fórmulas y ecuaciones

Energía cinética: $E_c=\frac{1}{2}mv^{2}$

Energía potencial gravitatoria: $E_p=mgh$

Conservación de la energía mecánica: $\frac{1}{2}mv^{2}+mgh=\text{constante}$

Trabajo: $W=F d\cos\theta$

$E_c$ = $\frac{1}{2}$ $mv^{2}$

$E_p$ = mgh

$E_{m\ec}$ = $E_c$ + $E_p$ = $\text{constante}$

W = $F\,d\,\cos\theta$

Glosario (7)

Energía: Capacidad de un cuerpo para realizar un trabajo o producir un cambio; se mide en julios (J) en el SI.
Energía cinética: Energía asociada al movimiento de un cuerpo, dada por $E_c=\frac{1}{2}mv^{2}$.
Energía potencial: Energía almacenada por la posición o configuración de un cuerpo; en el campo gravitatorio, $E_p=mgh$.
Energía mecánica: Suma de la energía cinética y la potencial de un sistema: $E_{m\ec}=E_c+E_p$.
Trabajo mecánico: Efecto de una fuerza sobre un cuerpo que se desplaza: $W=Fd\cos\theta$.
Termodinámica: Rama de la física que estudia el calor, la temperatura y sus transformaciones en energía.
Campo eléctrico: Región del espacio donde una carga eléctrica experimenta una fuerza.

Preguntas para practicar

Explica, con el ejemplo del ciclista, por qué en la cima de la colina se habla de energía potencial y no de energía cinética.

En la cima el ciclista se detiene o reduce su velocidad al máximo, por lo que su energía cinética $\frac{1}{2}mv^{2}$ es mínima; sin embargo, se encuentra en el punto de mayor altura $h$, y allí su energía está "almacenada" como energía potencial $E_p=mgh$. Al descender, esa energía potencial se convierte en cinética y el ciclista aumenta su velocidad.

¿Por qué la Sección 3 estudia juntos trabajo mecánico, termodinámica, luz y campo eléctrico?

Porque todos estos temas se enmarcan en el concepto de energía: el trabajo mecánico permite transferir energía entre formas cinética y potencial; la termodinámica estudia la energía térmica y sus transformaciones; la luz es una forma de energía radiante; y el campo eléctrico describe la energía asociada a las cargas eléctricas. Constituyen un mismo hilo conductor desde la energía macroscópica hasta sus formas más complejas.

Temas y conceptos clave

Sección 3: EnergíaTransformaciones de energía en el movimientoTrabajo mecánico y energíaTermodinámicaLa luz y sus propiedadesCampo eléctricoenergía cinéticaenergía potencialenergía mecánicaconservación de la energíatrabajo mecánicotransformación de energía