En la mecánica clásica, la energía cinética de un objeto es la energía que posee debido al hecho de estar en movimiento y tener masa. Cuanto mayor sea la velocidad de un objeto y mayor sea su masa, mayor será su energía cinética.
La energía cinética también se define como la cantidad de trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una determinada masa hasta una cierta velocidad. Esta energía será constante mientras la velocidad del cuerpo se mantenga.
Esta forma de energía es importante en diversos contextos. Por ejemplo, en la física de los choques y colisiones, se utiliza para analizar las transformaciones de energía que ocurren durante el evento.
Además, es fundamental en campos como la mecánica, la ingeniería y la industria, ya que permite comprender y aprovechar el movimiento de los objetos para diferentes aplicaciones y tecnologías.
La energía cinética se mide en julios (J) según el sistema internacional de unidades.
Tipos de energía cinética
La energía cinética puede clasificarse en diferentes tipos según el contexto o la fuente de movimiento. A continuación, se mencionan algunos ejemplos de tipos de energía cinética:
Lineal: Es la energía asociada al movimiento rectilíneo de un objeto a lo largo de una trayectoria.
Rotacional: Se refiere a la energía asociada al movimiento de rotación de un objeto alrededor de un eje. Este tipo de energía se aplica a objetos que giran, como ruedas, turbinas o discos voladores.
Vibracional: Es la energía asociada al movimiento vibratorio de un objeto. Se aplica a sistemas que oscilan o vibran, como cuerdas de guitarra, moléculas en un gas o partículas en una onda.
Térmica: Es la energía asociada al movimiento aleatorio de las partículas en un sistema. Está relacionada con la temperatura del objeto y se debe al movimiento rápido y constante de átomos o moléculas. Cuanto mayor sea la temperatura de un objeto, mayor será su energía cinética térmica.
Energía cinética de partículas subatómicas: En el ámbito de la física de partículas, las partículas subatómicas, como electrones, protones o neutrones, poseen energía debido a su movimiento. Este tipo de energía es especialmente relevante en los reactores nucleares ya que la probabilidad de generar reacciones de fisión nuclear depende de la velocidad de los neutrones libres.
Energía cinética de fluidos: En la mecánica de fluidos, la energía cinética se relaciona con el movimiento de un fluido, como un líquido o un gas.
Fórmula de la energía cinética
Cada uno de los tipos mencionados anteriormente tiene una fórmula diferente para calcularse. En este apartado mencionaremos las fórmulas de la lineal y la rotacional.
Fórmula de la energía cinética de traslación lineal
La fórmula que se aplica para objetos que se mueven en línea recta es la siguiente:
Donde:
m es la masa en kilogramos (kg)
v es la velocidad expresada en metros por segundo (m/s)
Según esta fórmula, se puede observar que la energía cinética es directamente proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto significa que un objeto que se mueve a una velocidad mayor tendrá una energía cinética mucho mayor que otro objeto de la misma masa pero con una velocidad menor.
En la mecánica relativista se trata de una buena aproximación únicamente cuando la velocidad es muy inferior a la velocidad de la luz.
Fórmula de la energía cinética rotacional
Para el cálculo de un un cuerpo girando a un eje es la siguiente:
Donde:
Ix: Momento de inercia.
ω: Velocidad angular.
Ejemplos de energía cinética
A continuación se ilustran diferentes tipos de energía cinética:
Un automóvil en movimiento: El automóvil posee energía cinética lineal debido a su velocidad en la carretera. Además, las ruedas giratorias del automóvil tienen energía cinética rotacional.
Un péndulo oscilante: Un péndulo, como el de un reloj de pared, tiene energía cinética debido a su movimiento de vaivén. Esta energía cinética es de tipo vibracional.
Una rueda de bicicleta en movimiento: La rueda de una bicicleta en movimiento tiene energía cinética rotacional. Además, la bicicleta en su conjunto tiene energía cinética lineal debido a su velocidad.
Un avión volando: Un avión en vuelo posee energía cinética lineal debido a su velocidad en el aire. Además, las aspas del motor o las hélices tienen energía cinética rotacional.
Un electrón acelerado en un acelerador de partículas: Los electrones que se aceleran en un acelerador de partículas adquieren energía cinética debido a su velocidad. Esto corresponde a energía cinética de partículas subatómicas.
El viento en movimiento: El viento en movimiento tiene energía cinética asociada con su velocidad. Esta energía cinética del viento es una forma de energía cinética de fluidos.
Relación entre energía potencial y cinética
En la naturaleza existen muchas formas de energía y, según la ley de la conservación de la energía, la energía no se puede crear o destruir, pero sí transformarse de un tipo a otro.
Un caso particular son estos dos tipos de energía: la suma de las dos es la energía mecánica.
La energía potencial es la energía mecánica asociada a la localización de un cuerpo dentro de un campo de fuerza, por ejemplo, la fuerza de la gravedad.
Si un objeto está a una determinada altura tiene energía potencial gravitacional (que depende de la altura). Si lo dejamos caer pierde energía potencial y se transforma en energía cinética (energía de movimiento).
Un ejemplo es una montaña rusa. La energía mecánica de las vagonetas se mantiene constante, pero en cada subida y bajada el balance entre energía potencial y cinética varía constantemente.