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Fuerzas no conservativas y balance energético

Incorporar rozamiento y aportes externos a balances energéticos y comprobar si un estado final es alcanzable.

Míralo en un dibujo

La energía transferida también cuenta. Descripción en el texto contiguo.
La energía transferida también cuenta

Un balance esquemático reparte 10 J iniciales en 7 J de energía mecánica final y 3 J transferidos por disipación. No se destruye energía.

Antes de seguir: ¿La disminución de energía mecánica viola conservación de la energía?

Comprueba tu razonamiento

No. Deben incluirse la energía interna y las transferencias al entorno en el balance.

Antes de empezar

Necesitas manejar: Trabajo de una fuerza; Velocidad; Altura y referencia potencial.

Escribe en papel tu respuesta a esta pregunta antes de desplegarla.

¿Qué incluye W_nc?

Trabajos no representados mediante los potenciales del balance.

En un minuto

  • Trabajos no representados mediante los potenciales del balance.
  • El recorrido relativo sobre la superficie.
  • La energía disponible no cubre el trabajo resistente y los cambios de potencial.
  • No: la total incluye también energía interna y otras formas.

Entiende la idea

El concepto

La energía mecánica puede cambiar cuando realizan trabajo fuerzas no conservativas o agentes externos no incluidos en el potencial. Una forma útil del balance es K_i+U_i+W_nc=K_f+U_f. W_nc reúne los trabajos que no se han representado mediante energías potenciales. Hay que evitar contar dos veces el trabajo del peso: o se incluye como trabajo en el teorema cinético o mediante ΔU, de forma coherente.

El rozamiento cinético en una superficie fija suele realizar trabajo negativo sobre el cuerpo que desliza. En el modelo de fuerza constante, W_r=−μ_kNd. La energía mecánica perdida se transforma en energía interna del sistema cuerpo-superficie y otras salidas. No se destruye energía, aunque deje de estar disponible como movimiento o altura en el balance simplificado.

Cómo utilizarlo sin errores

En una trayectoria con tramos diferentes se calcula cada contribución por separado. Puede haber caída sin rozamiento, tramo horizontal rugoso y compresión de un muelle. Los estados se conectan mediante balances y la distancia recorrida sobre cada superficie debe identificarse correctamente. Una altura vertical no es igual a la longitud de un plano inclinado.

Un resultado K_f negativo indica que el estado final propuesto no puede alcanzarse bajo esos supuestos: el cuerpo se detendría antes o habría que añadir energía. No se toma la raíz de un número negativo para inventar una rapidez. La solución debe comprobar sentidos, contacto y régimen de rozamiento, porque un balance energético no sustituye todas las condiciones dinámicas.

Fórmulas y condiciones de uso

Lee las condiciones junto con cada expresión. Una fórmula sin sus hipótesis puede dar un resultado incorrecto.

W no   conservativas = Δ ( E c + E p )
Fuerzas no conservativas y balance energético · expresión 1
W roz = − μ k N d rozamiento constante opuesto al movimiento
Fuerzas no conservativas y balance energético · expresión 2
Consultar la notación textual original

K_i+U_i+W_nc=K_f+U_f. Rozamiento constante en superficie fija: W_r=−μ_kNd. En horizontal sin otras fuerzas verticales: N=mg.

Ejemplos resueltos

Ejemplo 1 · Un bloque de 2 kg a 5 m/s desliza por una mesa con μ_k=0,25. Usa g=10. Calcula la distancia de frenado.

  1. K_i=(1/2)·2·25=25 J. La fricción vale 0,25·20=5 N.
  2. En la parada, 25−5d=0, luego d=5 m.
  3. La pérdida de 25 J mecánicos se transfiere a energía interna y otras formas del sistema ampliado.

Ejemplo 2 · Un cuerpo de 1 kg baja una altura de 4 m desde reposo y después recorre 3 m horizontales con rozamiento constante de 5 N. Usa g=10. Calcula la rapidez final.

  1. La energía disponible al pie, si la bajada es sin pérdidas, es mgh=40 J.
  2. En el tramo rugoso se pierden 5·3=15 J, por lo que K_f=25 J.
  3. 25=(1/2)·1·v²; v=√50≈7,07 m/s. La altura de 4 m y el recorrido rugoso de 3 m son magnitudes distintas.

Practica antes de mirar la solución

Práctica 1 · Un cuerpo tiene 12 J de energía cinética y debe recorrer 4 m contra una fricción constante de 4 N, sin otras aportaciones. ¿Llega?

Primera ayuda

Compara energía inicial y trabajo resistente requerido.

Ver solución razonada

No. Se requerirían 16 J. Se detiene a d=12/4=3 m; un K_f=−4 J señalaría que la meta es inalcanzable.

Práctica 2 · Se suministran 30 J externos a un cuerpo que gana 12 J de potencial y pierde 5 J por rozamiento. Si K_i=4 J, calcula K_f.

Primera ayuda

Escribe el balance antes de despejar.

Ver solución razonada

4+30−5=K_f+12, por lo que K_f=17 J.

Práctica 3 · Un bloque recorre 2 m por un plano con N=20 N y μ_k=0,10. Calcula trabajo de rozamiento.

Primera ayuda

Usa distancia sobre el plano.

Ver solución razonada

W_r=−0,10·20·2=−4 J. No se usa la altura vertical en lugar de la distancia de deslizamiento.

El error que debes evitar

No contar el peso como trabajo y potencial a la vez. No usar altura en vez de recorrido rugoso. No ignorar un resultado de energía cinética negativa.

Comprueba lo aprendido

Autoevaluación formativa: no es una nota oficial ni un examen vigilado.

K_f negativo en un balance de movimiento significa…

  1. Rapidez imaginaria física
  2. Estado final no alcanzable bajo el modelo
  3. Que la energía no se conserva
Solución y explicación

Respuesta: Estado final no alcanzable bajo el modelo. Hay que localizar la parada o revisar aportes y supuestos.

Si se usa U_g, el trabajo del peso…

  1. Se añade otra vez siempre
  2. Se multiplica por dos
  3. No se cuenta por duplicado
Solución y explicación

Respuesta: No se cuenta por duplicado. Su efecto ya está representado en la variación de potencial.

La energía mecánica perdida por fricción…

  1. Se transforma en otras formas
  2. Desaparece
  3. Se convierte siempre íntegra en altura
Solución y explicación

Respuesta: Se transforma en otras formas. Un sistema ampliado permite cerrar el balance total.

Recupera las ideas de memoria

Antes de revelar cada respuesta, di la tuya en voz alta o escríbela. Marca si la recordabas para programar el siguiente repaso.

¿Qué incluye W_nc?

Ya lo he intentado: revelar respuesta

Trabajos no representados mediante los potenciales del balance.

Intenta responder antes de mirar.

¿Qué longitud usa el trabajo de rozamiento?

Ya lo he intentado: revelar respuesta

El recorrido relativo sobre la superficie.

Intenta responder antes de mirar.

¿Cómo detectar una meta inalcanzable?

Ya lo he intentado: revelar respuesta

La energía disponible no cubre el trabajo resistente y los cambios de potencial.

Intenta responder antes de mirar.

¿Energía mecánica y total son lo mismo?

Ya lo he intentado: revelar respuesta

No: la total incluye también energía interna y otras formas.

Intenta responder antes de mirar.

Explícalo y llévalo a otro problema

Modifica el segundo ejemplo para que el tramo rugoso mida 10 m y localiza dónde se detendría el cuerpo, explicando por qué no puede darse una rapidez al final.

Cierre en papel: explica el procedimiento, anota una condición de validez y vuelve a resolver un ejercicio que te haya costado sin consultar sus pasos.

Consolida el tema completo

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Fuentes y revisión editorial

Material de elaboración propia con asistencia de IA. Revisión docente final pendiente. La comprobación técnica no certifica la adaptación a una convocatoria concreta de PAU.