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Energía y trabajo en campos gravitatorios
Teoría
2018 · Ordinaria · Suplente
1A-a
Examen
a) Fuerzas conservativas y energía potencial. Ponga un ejemplo de fuerza conservativa y otro de fuerza no conservativa.
Fuerzas conservativasEnergía potencial
Fuerzas conservativas y energía potencial
a) Fuerzas conservativas y energía potencial
Fuerzas conservativas

Una fuerza es conservativa cuando el trabajo que realiza sobre una partícula al desplazarla entre dos puntos es independiente del camino seguido, dependiendo únicamente de las posiciones inicial y final. Una consecuencia directa es que el trabajo realizado por una fuerza conservativa a lo largo de cualquier trayectoria cerrada es nulo:

WAB=Fdr=0W_{A \to B} = \oint \vec{F} \cdot d\vec{r} = 0
Energía potencial

A cada fuerza conservativa se le puede asociar una función de energía potencial EpE_p. El trabajo realizado por la fuerza conservativa al pasar de un punto A a un punto B se expresa como la disminución de la energía potencial:

WAB=EpAEpB=ΔEpW_{A \to B} = E_{p_A} - E_{p_B} = -\Delta E_p

Es decir, cuando la fuerza conservativa realiza trabajo positivo, la energía potencial disminuye, y viceversa. Esto permite definir la energía potencial como la energía almacenada en el sistema como consecuencia de la posición o configuración de las partículas que lo componen.En presencia exclusiva de fuerzas conservativas, se cumple el principio de conservación de la energía mecánica:

Emec=Ec+Ep=constanteE_{mec} = E_c + E_p = \text{constante}
Ejemplo de fuerza conservativa: la fuerza gravitatoria

La fuerza gravitatoria P=mg\vec{P} = m\vec{g} es conservativa. El trabajo que realiza sobre un cuerpo al desplazarse de una altura h1h_1 a una altura h2h_2 es:

W=mg(h1h2)=ΔEpW = mg(h_1 - h_2) = -\Delta E_p

Este trabajo no depende del camino seguido, solo de las alturas inicial y final. La energía potencial gravitatoria asociada es Ep=mghE_p = mgh. Si un cuerpo cae desde una mesa hasta el suelo, el trabajo de la gravedad es el mismo sin importar si cae verticalmente o por un plano inclinado.

Ejemplo de fuerza no conservativa: la fuerza de rozamiento

La fuerza de rozamiento cinético fr\vec{f_r} es no conservativa. El trabajo que realiza depende de la longitud del camino recorrido, no solo de los puntos inicial y final:

Wrozamiento=frdW_{rozamiento} = -f_r \cdot d

Donde dd es la distancia recorrida. Cuanto más largo sea el camino entre dos puntos, mayor será (en valor absoluto) el trabajo negativo realizado por el rozamiento. Además, en un trayecto cerrado, el rozamiento realiza un trabajo no nulo (siempre negativo), disipando energía mecánica en forma de calor. Por ello no puede asociarse a ninguna energía potencial.