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Tipos de Energia

Qué es y Cómo calcular la Cinética Rotacional

Energía Cinética Rotacional

La energía cinética rotacional es uno de los tres tipos de energía cinética que existe. Un término que a menudo plantea dudas o es objeto de confusión. En este enlace puedes saber más sobre la tecnología cinética en general. Además de poder saber más del otro tipo de energía cinética, la traslacional.

Este texto pretende abordar cuestiones esenciales  como el modo en  que la empleamos, las aplicaciones prácticas que de ella se obtienen  y la forma en la que ha cambiado nuestras vidas.

Qué es la energía cinética rotacional

  • La rotacional es la energía cinética de un cuerpo rígido, que gira en torno a un eje fijo
  • Esta energía va a depender del momento de inercia y de la velocidad angular del cuerpo
  • Cuando más alejada se encuentre la masa del cuerpo respecto al eje de rotación, más energía se precisará para que el cuerpo adquiera una velocidad angular
  • La energía cinética de un objeto girando es análoga a la energía cinética lineal
  • La energía cinética total de un objeto extenso, puede expresarse como el resultado de la suma de la energía cinética de traslación de su centro de masa y la energía cinética de rotación sobre el centro de masa

¿Qué es el principio de conservación del momento angular?

  • Es propia del estudio mecánico de los sistemas aislados la aplicación de distintos principios de conservación que sirven de ayuda para determinar aquellas leyes físicas que rigen su comportamiento
  • En los movimientos de rotación adquiere una importancia particular el que se conoce como principio de conservación del momento angular
  • Dicho principio establece que si el momento total de las fuerzas externas aplicadas sobre un sistema es nulo, el momento angular total del sistema se conserva

Fórmula de la conservación del momento angular

En virtud de ello, cuando aumenta el momento de inercia, disminuye la velocidad angular de giro, y a la inversa.

Cómo calcular la cinética de rotación

Para un eje de rotación fijo dado, la cinética de rotación se puede expresar de la siguiente forma:

Calcular la cinética de la rotación

Las expresiones para la energía cinética rotacional y lineal se pueden desarrollar en paralelo desde el principio de trabajo-energía. Para entender este principio, se puede considerar el paralelismo que viene a continuación entre un par constante que se ejerce sobre un volante con momento de inercia I, y una fuerza constante que se ejerce sobre una masa m, comenzando ambas desde el reposo.

Principio del trabajo-energía

  1. Para el caso lineal, comenzando siempre desde el reposo, siendo la aceleración por definición igual a la velocidad final dividida por el tiempo, mientras que la velocidad media es la mitad de la velocidad final, se muestra  que el trabajo realizado por el bloque es igual a la energía cinética
  2. Para el caso rotacional, comenzando siempre desde el reposo, el trabajo rotacional es τθ y la aceleración angular α dada al volante, es obtenida de la segunda ley de Newton de la rotación.

La aceleración angular sería igual a la velocidad angular final dividida por el tiempo y la velocidad angular media sería igual a la mitad de la velocidad angular final. De ahí se deduce que la energía cinética rotacional que se le da al volante  sería igual al trabajo realizado por el par

Ejemplos de la energía cinética rotacional en la vida cotidiana

Existen muchos ejemplos de esta energía, por lo que nos vamos a limitar a relacionar algunos de los más significativos. No en vano, los movimientos de rotación están presentes en gran cantidad de fenómenos de la naturaleza como son:

  • Las balanzas
  • Los péndulos
  • La peonza

Como no es posible detenernos en todos y cada uno de los ejemplos, vamos a analizar el de la peonza como un ejemplo clásico de sólido en rotación.

Ejemplo de la peonza

La peonza constituye en esencia un sólido de revolución con un punto fijo que se mantiene en contacto con el suelo. En una interpretación primera, la variación del momento angular de la peonza en relación a dicho punto fijo sería:

Fórmula de la variación angular de la peonza

Aunque a priori el giro real de la peonza pudiera parecer bastante sencillo, lo cierto es que no lo es, sino que se compone de la combinación de tres movimientos diferentes:

  • El movimiento de rotación de la peonza en torno a un eje que pasa por el punto fijo de contacto
  • Un movimiento de precesión en torno a un eje vertical, que motiva que el eje de rotación varíe según va pasando el tiempo
  • Un bamboleo del mencionado eje, denominado nutación, que hace variar su inclinación

De particular interés para la física resulta la combinación de estos 3 movimientos, ya que la misma se encuentra presente en la mayoría de los movimientos naturales de rotación.

Ejemplo de la peonza de la cinética de rotación

La imagen describe el movimiento natural de una peonza, resultado de la combinación de los movimientos de rotación, precesión y nutación.

A escala cósmica también podemos observar este tipo de movimiento en el giro de todos los cuerpos celestes que se conocen como el del planeta Tierra, el del resto de planetas y los satétlites, las estrellas, el Sol y las galaxias, en torno a un eje que termina definiendo simetrías en los sistemas.

Energía de tipo cinético rotacional para niños

Si hay un reto que debemos plantearnos los adultos de hoy es la completa formación a nivel educativo de los niños, que serán los del mañana. En un planeta que está sufriendo los estragos de gran cantidad de decisiones tomadas por el hombre  absolutamente contrarias a la salud del mismo, se precisa un cambio inmediato de mentalidad.

Preparar a las nuevas generaciones para que puedan asumir el reto de comenzar a vivir conforme a los valores ecológicos que debieron imperar en el pasado,  merece ser afrontado con ilusión.

La clave está en concienciar a los pequeños, desde su más tierna infancia, de la extrema importancia que tiene la adopción de cuantas iniciativas se encentren encaminadas a la sostenibilidad del planeta.

Hacerlo desde una perspectiva sencilla, a través de conocimientos adaptados a sus distintas edades, que además incluyan entretenidos experimentos, puede convertirse en una excelente manera de lograrlo.

Los conocimientos de ciencias que a su vez engloben los distintos tipos de energía han de formar parte de esa educación, con el fin de que consigan manejar con prontitud unos conceptos que podrán ayudarles a  discernir las alternativas energéticas más adecuadas, así como el funcionamiento de aquellas otras que quedan en un plano más abstracto, como la que estamos explicando.

Experimentos con energía cinética rotacional

Ahora  vamos a sugerir la realización de un  interesante y divertido experimento doméstico con la energía en forma de movimiento rotacional,   que podréis realizar en el interior de vuestra casa  (adoptando siempre las debidas medidas de precaución).

Materiales necesarios:

  • 2 esferas de idéntica masa y radio. Una de las esferas deberá estar fabricada con un material ligero como el plástico y ser maciza y sólida. La otra esfera fabricada con un material más denso que el plástico y ser hueca
  • Un plano inclinado

¿Qué va a pasar?

  • Pues sencillamente que vas a comprobar cómo la esfera hueca rueda con mayor lentitud, pues toda su masa se acumula en una capa delgada, que se encuentra a cierta distancia del eje de rotación
  • En cuanto a la esfera maciza, se va a mover con mayor rapidez, pues a nivel porcentual sus partículas se encuentran más cercanas al eje de rotación y, por tanto, se moverán más lentamente, dado que las mismas describen una trayectoria más corta que las partículas que se encuentran en la superficie de la esfera

Vídeo sobre la cinética rotacional:

Fuentes y Referencias

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