¿Qué significa exactamente cuando decimos que la energía se ha movido de un cuerpo a otro, qué se ha transferido físicamente? El concepto de energía es muy confuso, por favor, ayúdame.
Y si la energía potencial gravitacional se almacena en un cuerpo, ¿la masa del cuerpo aumenta según $E=mc^2$ ?
La energía no es una propiedad física. Es una cantidad matemática abstracta que resulta muy útil de calcular porque nos da información importante sobre el estado del sistema. Hay muchos tipos de energía asociados al movimiento (energía cinética), a la posición (energía potencial), a la masa ( $E=mc^2$ ), y otros. Cuando los físicos hablan de transferir energía de un sistema a otro, es una forma de hablar de algunos procesos físicos que cambian el estado de dos sistemas. En muchos sistemas que interactúan, la Tercera Ley de Newton establece que las interacciones tienen efectos opuestos en los dos sistemas: uno se acelera y el otro se ralentiza. El efecto global es mantener constante la energía total asociada al movimiento. De hecho, los físicos suelen elegir una definición de la energía que la mantenga constante para facilitar los cálculos. Los distintos tipos de energía también pueden convertirse en otros.
Como analogía, piense en el beneficio en los negocios. Yo compro un coche por \$5,000 and sell it for \$ 7,000. Mi beneficio es \$2,000. But, where was the amount of \$ ¿2.000 euros en las transacciones? No fue así. El beneficio es una cantidad abstracta de dinero que es útil calcular, ya que te dice información importante sobre el estado de tu negocio.
En cuanto a que la masa cambie con la energía, es una cuestión sutil. Un objeto en movimiento no gana masa con la energía cinética. El calentamiento de un objeto sí lo hace. Se puede pensar en la masa como la energía total de un sistema medida por un observador que no se mueve con respecto a ese objeto. Si el objeto se mueve, hay que restar la energía debida al movimiento para obtener la masa.
Me gusta la analogía con las transacciones monetarias, lo solidifica en una cuestión concreta
Si "la energía no es una propiedad física", ¿podría yuxtaponer eso con cantidades que son ¿es la masa una propiedad física? ¿es la velocidad una propiedad física? ¿o el impulso? ¿o los fundamentos como el tiempo, la longitud/posición, la masa, la carga?
Básicamente, el concepto de energía es confuso porque en todos los demás casos, como la velocidad o la masa, puedo ver e imaginar claramente los cambios que se producen, pero cuando alguien dice que la energía se transfiere de un cuerpo a otro, ¿qué imagino que se transfiere?
Voy a empezar utilizando una comprensión muy básica de la energía (adecuada para un curso de primer año):
La energía es cualquier propiedad de un objeto o sistema que le permite realizar un trabajo.
Aquí, "trabajo" se utiliza en el sentido de fuerza aplicada sobre una distancia: $\mathrm{d}W = \vec{F} \cdot \mathrm{d}\vec{s}$ .
Bueno, un objeto en movimiento podría (si las cosas estuvieran bien dispuestas) embestir un clavo y clavarlo en la pared. Como eso requiere una fuerza aplicada a lo largo de una distancia, se realiza un trabajo y el objeto en movimiento pierde velocidad al clavar el clavo: la energía del movimiento (energía cinética) se convierte en trabajo, y el objeto más lento tiene ahora menos capacidad de realizar trabajo.
Una masa pesada en la parte superior de un funicular puede levantar lo que se coloca en el otro lado, trabajo realizado en virtud de la posición en un campo gravitatorio. La energía potencial gravitatoria se intercambia de un objeto a otro. Obsérvese que el contrapeso del funicular no "contiene" la energía por sí mismo, sino que la combinación del peso y el planeta tiene la capacidad de realizar trabajo (si se lleva el funicular al espacio profundo ya no se levantará, porque la Tierra era una parte necesaria del sistema), así que es el sistema el que "tiene" la energía.
Un muelle estirado o comprimido contiene energía (energía potencial elástica), al igual que una muestra confinada de gas caliente (energía térmica), o un galón de queroseno (energía química), o una tonelada de mineral de uranio (energía nuclear).
Algunos de los otros carteles han ofrecido definiciones más sofisticadas de la energía, pero coinciden con la que he dado aquí cuando se pone en un contexto mecánico simple. Por otra parte, no se puede llegar a una concepción noetheriana de la energía a partir de la definición que he dado aquí sin un salto de intuición.
También la termodinámica nos dice que la energía puede existir en formas en las que su "capacidad de hacer trabajo" se neutraliza efectivamente al existir en una disposición de alta entropía.
"si se almacena energía potencial gravitatoria en un cuerpo, ¿aumenta la masa del cuerpo según $E=mc^2$ ?"
De nuevo, no está en un objeto singular sino en la disposición de los objetos en un sistema, pero sí si actúas sobre el sistema como un todo su masa es diferente de la suma de las masas de las partes por la energía potencial. (Pero aquí hay un giro, para la gravitación esa diferencia de energía es negativa porque pruebas la masa de cada una de las partes a distancia infinita).
Pero calcula la diferencia de energía entre tú y el planeta a una distancia infinita y contigo en la superficie, y luego conviértela en una diferencia de masa. Es sorprendentemente pequeña. Por otro lado, la fisión y la fusión nucleares convierten una fracción medible de la masa inicial en formas de energía que podemos (en principio) utilizar, y los propios protones y neutrones de tus átomos son más energía vinculante que la masa de sus partes.
La energía es una cantidad útil que se puede medir y que se conserva también en un sistema cerrado. Existen ecuaciones de movimiento dadas en términos de energía, llamadas ecuaciones de Euler-Lagrange. Se trata simplemente de una observación de que los sistemas que interactúan entre sí se afectan de tal manera que se transfiere energía de uno a otro, y podemos observar que la cantidad exacta que se pierde en un sistema es igual a la que se gana en el otro. Las dos formas básicas de energía son la cinética y la potencial, y todas las demás energías, como la eléctrica o la térmica, son básicamente estas dos básicas, es decir, la energía en movimiento, cinética, y la energía de un cuerpo en reposo en algún campo de potencial/fuerza. Es simplemente una energía cinética que el cuerpo seguramente adquirirá si lo dejamos moverse, como el agua que cae por el acantilado. La fórmula de la energía cinética es
E=0,5mxv^2
Esta cantidad tiene todas estas buenas propiedades que acabo de describir. Así que para conocer realmente la energía, hay que observarla en su entorno natural, las ecuaciones de movimiento de la física. Entonces se vuelve más y más claro.
Para la mayoría de los propósitos cotidianos, E = mc² es en gran medida irrelevante.
Considere 1 litro de agua a 0°C. Esto pesa aproximadamente 1Kg.
Si la calentamos a 100°C, habremos añadido 418600J de energía (la capacidad calorífica específica del agua es de 4186J/Kg°C). Aplicando m = E/c² encontramos que hemos hecho el agua 418600/(300000000²) = 0,0000000000047Kg más pesada.
No es del todo irrelevante, en la vida real se producen sorprendentemente muchos efectos relativistas a baja velocidad. Por ejemplo, si se patea una pelota de masa $m$ para acelerar $v$ Ahora, debido a que está en otro marco de referencia, se ve que su masa ha aumentado relativistamente a $\gamma m = \left(1-v^2/c^2\right)^{(-1/2)}m$ y la diferencia de energía es $(\gamma-1)mc^2 \approx ((1-(-1/2)(v/c)^2)-1)mc^2=mv^2/2$ para los pequeños $v$ . O youtube.com/watch?v=1TKSfAkWWN0 .
La energía puede considerarse como algo que puede cambiar el estado de un sistema. se puede utilizar la energía para mover una piedra del punto A al punto B. para ello es necesario aplicar una fuerza (algunas fuerzas pueden estar relacionadas con el gradiente de un potencial). en el caso del potencial gravitatorio, la fuerza relacionada es la fuerza gravitatoria. por tanto, la energía potencial gravitatoria es la energía que puede cambiar el estado de una piedra. si está en un punto A, digamos a una altura $h$ tendrá una energía potencial $mgh$ . Esta energía puede ser "liberada" para cambiar el estado de la piedra de ser estática a estar en un estado de caída libre.
cuando decimos que la energía se transfiere o intercambia, queremos decir que la energía no desaparece. en el caso de la piedra que cae libremente, la energía potencial se transforma en energía cinética. la piedra sigue teniendo la misma energía pero su "naturaleza" ha cambiado (la energía cinética no está relacionada con el gradiente de alguna fuerza).
cuando la piedra golpea el suelo, la energía se transfiere al entorno (es decir, la tierra) haciendo algo de ruido, calentando o deformando la zona de impacto... si la piedra cae sobre un trampolín, la energía cinética de la piedra pasa a la energía potencial del trampolín (al deformarlo elásticamente).
esto no debe confundirse con $E=mc^2$ . a grandes rasgos, lo que dice esta fórmula es que la masa es energía.
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