Viajando por la historia

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Fuentes de energía

Las fuentes de energía son un fenómeno físico o químico del que es posible explotar su energía con fines económicos o biofísicos. Según un primer criterio de clasificación, se les llama “primarias” si provienen de un fenómeno natural y no han sido transformadas (el sol, la biomasa, las corrientes de agua, el viento, los minerales energéticos o radiactivos); y “secundarias” si son resultado de una transformación intencionada a partir de las primarias para obtener la forma de energía deseada (la energía eléctrica -que puede obtenerse a partir de cualquiera de las fuentes primarias-, la energía química de los distintos combustibles utilizados para el transporte, la calefacción o la industria -que pueden obtenerse a partir de muy distintas fuentes-, etc.)

Según un segundo criterio, a las fuentes de energía primarias se las llama “renobables” si sus reservas no disminuyen de forma significativa en la escala de tiempo de su explotación (como la hidroeléctrica, la eólica, la solar, la geotérmica, la mareomotrizo la utilización energética de la biomasa); y “no renobables” si lo hacen (como los combustibles fósiles -carbón, petróleo, gas natural y la energía nuclear). Según un tercer criterio, se las llama “limpias”​ si se las valora positivamente en un contexto ecologista (lo que coincide en su mayor parte con las renovables); y “sucias” si son valoradas negativamente (lo que coincide en su mayor parte con las no renovables).

 

A lo largo de la historia el hombre ha buscado incesantemente fuentes de energía para su provecho; desde la Prehistoria, cuando la humanidad descubrió el fuego para calentarse, alumbrarse y cocinar los alimentos, pasando por la Edad Media en la que se introdujeron molinos de viento para moler cereales, hasta la Edad Contemporáneaen la que se ha llegado a obtener energía fisionando el átomo y producir los sofisticados combustibles que permiten la propulsión aeroespacial.

Los combustibles fósiles protagonizaron las revoluciones industriales: desde la Primera Revolución Industrial el carbón con el que se alimentaron las calderas de las máquinas de vapor aplicadas inicialmente al bombeo del agua de las minas, luego al telar mecánico y sucesivamente a la práctica totalidad de los procesos industriales mecanizables y al transporte (ferrocarril, barco de vapor, pero luego el modelo de desarrollo propio de la sociedad industrial aboca al agotamiento de los recursos fósiles, sin posible reposición, pues son necesarios períodos de millones de años para su formación.

La búsqueda de fuentes de energía inagotables y el intento de los países industrializados de fortalecer sus economías nacionales reduciendo su dependencia de los combustibles fósiles, concentrados en territorios extranjeros tras la explotación y casi agotamiento de los recursos propios, les llevó a la adopción de la energía nuclear y, en aquellos con suficientes recursos hídricos, al aprovechamiento hidráulico intensivo de sus cursos de agua.

Magnitudes escalares y vectoriales

Dentro de la física podemos encontrar magnitudes que pueden quedar perfectamente definidas con el valor de su medida y su unidad. Este tipo de magnitudes reciben el nombre de magnitudes escalares. Al igual, podemos encontrar magnitudes que necesitan también una dirección y un sentido para quedar totalmente definidas, a las cuales se le llaman magnitudes vectoriales.

Tipos de magnitudes.

  • Escalares.

Masa
Tiempo
Rapidez
Distancia
Corriente eléctrica
Longitud
Temperatura

  • Vectoriales.

Desplazamiento
Velocidad
Aceleración
Fuerza

Medición del tiempo

El tiempo es una magnitud física con la que medimos la duración o separación de acontecimientos. El tiempo permite ordenar los sucesos en secuencias, estableciendo un pasado, un futuro y un tercer conjunto de eventos ni pasados ni futuros respecto a otro.

Unidades para medir el tiempo.

descarga Medición del tiempo

Como se mide el tiempo.

Las formas e instrumentos para medir el tiempo son de uso muy antiguo, y todas ellas se basan en la medición del movimiento, del cambio material de un objeto a través del tiempo, que es lo que puede medirse. En un principio, se comenzaron a medir los movimientos de los astros, especialmente el movimiento aparente del Sol, dando lugar al tiempo solar aparente.

Presión

La presión (símbolo p) es una magnitud física que mide la proyección de la fuerza en dirección perpendicular por unidad de superficie, y sirve para caracterizar cómo se aplica una determinada fuerza resultante sobre una línea. En el Sistema Internacional de Unidades la presión se mide en una unidad derivada que se denomina pascal (Pa) que es equivalente a una fuerza total de un newton (N) actuando uniformemente en un metro cuadrado (m²). En el Sistema Inglés la presión se mide en libra por pulgada cuadrada (pound per square inch o psi) que es equivalente a una fuerza total de una libra actuando en una pulgada cuadrada.

La presión es la magnitud escalar que relaciona la fuerza con la superficie sobre la cual actúa, es decir, equivale a la fuerza que actúa sobre la superficie. Cuando sobre una superficie plana de área A  se aplica una fuerza normal F   de manera uniforme, la presión P .
En un caso general donde la fuerza puede tener cualquier dirección y no estar distribuida uniformemente en cada punto la presión se define como:

donde:
f , es la fuerza por unidad de superficie.
n , es el vector normal a la superficie.
a , es el área total de la superficie S.

Tercera ley de Newton o principio de acción y reacción

La tercera ley de Newton implica la acción y la reacción opuesta, es decir, cada fuerza que se ejerza sobre un objeto recibirá otra fuerza de gran magnitud en sentido contrario.

III Ley de Newton.

Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: quiere decir que las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en sentido opuesto.

Expone que por cada fuerza que actúa sobre un cuerpo, este realiza una fuerza de igual intensidad, pero de sentido contrario sobre el cuerpo que la produjo. Dicho de otra forma, las fuerzas, situadas sobre la misma recta, siempre se presentan en pares de igual magnitud y de dirección, pero con sentido opuesto. Si dos objetos interaccionan, la fuerza F12, ejercida por el objeto 1 sobre el objeto 2, es igual en magnitud con misma dirección pero sentidos opuestos a la fuerza F21 ejercida por el objeto 2 sobre el objeto 1.

Este principio presupone que la interacción entre dos partículas se propaga instantáneamente en el espacio (lo cual requeriría velocidad infinita), y en su formulación original no es válido para fuerzas electromagnéticas puesto que estas no se propagan por el espacio de modo instantáneo sino que lo hacen a velocidad finita “c”. Este principio relaciona dos fuerzas que no están aplicadas al mismo cuerpo, produciendo en ellos aceleraciones diferentes, según sean sus masas.

Ejemplos como se puede aplicar la Tercera Ley de Newton. 

Algunos ejemplos donde actúan las fuerzas acción-reacción son los siguientes:

  • Si una persona empuja a otra de peso similar, las dos se mueven con la misma velocidad pero en sentido contrario.
  • Cuando saltamos, empujamos a la tierra hacia abajo, que no se mueve debido a su gran masa, y esta nos empuja con la misma intensidad hacia arriba.
  • Una persona que rema en un bote empuja el agua con el remo en un sentido y el agua responde empujando el bote en sentido opuesto.
  • Cuando caminamos empujamos a la tierra hacia atrás con nuestros pies, a lo que la tierra responde empujándonos a nosotros hacia delante, haciendo que avancemos.

Primera ley de Newton. Ley de la inercia

La primera ley del movimiento rebate la idea aristotélica de que un cuerpo solo puede mantenerse en movimiento si se le aplica una fuerza. Newton expone que:

I Ley Newton

Todo cuerpo persevera en su estado de reposo o movimiento uniforme y rectilíneo a no ser que sea obligado a cambiar su estado por fuerzas impresas sobre él.

La primera ley de Newton se satisface en ambos sistemas de referencia. A estos sistemas en los que se satisfacen las leyes de Newton se les da el nombre de sistemas de referencia inerciales. Ningún sistema de referencia inercial tiene preferencia sobre otro sistema inercial, son equivalentes: este concepto constituye el principio de relatividad de Galileo o newtoniano.

El enunciado fundamental que podemos extraer de la ley de Newton.

Esta expresión es una ecuación vectorial, ya que las fuerzas llevan dirección y sentido. Por otra parte, cabe destacar que la variación con la que varía la velocidad corresponde a la aceleración.

Ley de gravitación universal

Es es una ley física clásica que describe la interacción gravitatoria entre distintos cuerpos con masa. Fue formulada por Isaac Newton en su libro Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, publicado en 1687, donde establece por primera vez una relación cuantitativa (deducida empíricamente de la observación) de la fuerza con que se atraen dos objetos con masa. Así, Newton dedujo que la fuerza con que se atraen dos cuerpos de diferente masa únicamente depende del valor de sus masas y del cuadrado de la distancia que los separa. Para grandes distancias de separación entre cuerpos se observa que dicha fuerza actúa de manera muy aproximada como si toda la masa de cada uno de los cuerpos estuviese concentrada únicamente en su centro de gravedad, es decir, es como si dichos objetos fuesen únicamente un punto, lo cual permite reducir enormemente la complejidad de las interacciones entre cuerpos complejos.

Esto quiere decir, la ley de la gravitación universal predice que la fuerza ejercida entre dos cuerpos de masas separados una distancia r es proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.

donde

F, es el módulo de la fuerza ejercida entre ambos cuerpos, y su dirección se encuentra en el eje que une ambos cuerpos.
G, es la constante de gravitación universal.

Es decir, cuanto más masivos sean los cuerpos y más cercanos se encuentren, con mayor fuerza se atraerán.

El valor de esta constante de Gravitación Universal no pudo ser establecido por Newton, que únicamente dedujo la forma de la interacción gravitatoria, pero no tenía suficientes datos como para establecer cuantitativamente su valor. Únicamente dedujo que su valor debería ser muy pequeño. Solo mucho tiempo después se desarrollaron las técnicas necesarias para calcular su valor, y aún hoy es una de las constantes universales conocidas con menor precisión. En 1798 se hizo el primer intento de medición (véase el experimento de Cavendish) y en la actualidad.

Formulación general de la ley de la Gravitación Universal.

  • De forma vectorial.

Se ha detallado la dependencia del valor de la fuerza gravitatoria para dos cuerpos cualesquiera, existe una forma más general con la que poder describir completamente dicha fuerza, ya que en lugar de darnos únicamente su valor, también podemos encontrar directamente su dirección. Para ello, se convierte dicha ecuación en forma vectorial, para lo cual únicamente hay que tener en cuenta las posiciones donde se localizan ambos cuerpos, referenciados a un sistema de referencia cualquiera. De esta forma, suponiendo que ambos cuerpos se encuentran en las posiciones r1, r2.

  • Cuerpos extensos.

Se ha mencionado anteriormente que dichos cuerpos se pueden tratar como cuerpos puntuales, localizados en el centro de gravedad del cuerpo real, de tal forma que la descripción de esta fuerza se realiza trabajando únicamente con cuerpos puntuales (toda su masa se encuentra concentrada en su centro). Sin embargo, para algunos casos se puede hacer necesario tratar dichos cuerpos como lo que son, cuerpos con una extensión dada, es decir no puntuales. Un ejemplo donde este tratamiento es obligatorio es cuando se desea determinar cómo varía la fuerza de la gravedad a medida que nos situamos en el interior de un objeto, por ejemplo qué gravedad existe en el interior de la Tierra (en la región del manto terrestre o del núcleo).

En estos casos es necesario describir al objeto masivo como una distribución de masa, es decir, describirlo a través de su densidad en cada punto del espacio. Así, se integra la fuerza que produce cada elemento infinitesimal del cuerpo sobre cada elemento del otro objeto, sumando a todos los elementos que existen en el volumen de ambos cuerpos, lo cual matemáticamente se traduce en una integral sobre el volumen de cada cuerpo.

Trabajo (física)

Se le denomina trabajo dentro de la mecánica clásica a una fuerza cuando se altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo​ de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W, del inglés Work y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.
Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía, nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW.