“La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma” ¿Cuántas veces hemos leído, escuchado y hasta memorizado esta frase? Recuerdo que cuando niño mi mamá me enseñó que el lugar más importante de la casa es donde están los libros (como conté hace un tiempo)
y así encontré un libro de química donde leí este “principio” por
primera vez. Esta frase nos dice que la energía no se pierde, no
desaparece, sólo puede convertirse de un tipo de energía en otro. Para
comprender este principio veamos primero qué es la energía.
¿Qué es la energía?
Mencionaba en otro artículo
que la palabra energía suele ser manoseada y usada ampliamente por
promotores de disciplinas pseudocientíficas que hablan de la energía
espiritual y cosas así para tratar de vender sus fraudes, por lo que
trataré de explicar qué es la energía (la de verdad, no la de los
charlatanes).
Los físicos definen energía como “la capacidad de realizar trabajo”, lo que puede entenderse como “la capacidad de mover un objeto de un punto a otro”.
La energía puede clasificarse en dos tipos: cinética y potencial. La
más simple de entender es la energía cinética, que se refiere a la
energía del movimiento (cinética proviene del griego kineo que significa movimiento).
Ya que cualquier cuerpo en movimiento tiene la capacidad para mover a
otro (por ejemplo en una colisión), decimos que los objetos que se
mueven tienen energía, esa energía se llama energía cinética.
Imaginemos un experimento en el que lanzamos una pelota contra otra en
reposo (y por ello sin energía cinética). Dado que la primera pelota se
mueve decimos que posee energía cinética: después de colisionar, ambas
pelotas se estarán moviendo, decimos que ambas poseen energía cinética
después de la colisión. Si sumamos la energía de ambas pelotas luego de
la colisión obtendremos la misma energía antes de la colisión, por eso
decimos que la energía se conserva, no se destruye.

Objetos convirtiendo energía potencial gravitatoria en cinética
Existe otro tipo de energía llamada potencial. Esta se refiere a
energía que no es tan evidente como la cinética porque está almacenada
de alguna manera, aunque puede llegar a transformarse en energía
cinética. Supongamos un segundo experimento en el que sostenemos la
pelota en lo alto de una torre. La pelota está en reposo (no se mueve)
por lo tanto tiene cero energía cinética, sin embargo sabemos que si la
soltamos la pelota comenzará a moverse, es decir, adquirirá energía
cinética. ¿De dónde proviene esa energía? Sabemos que la energía no
puede crearse de la nada, por lo tanto la energía cinética que la pelota
adquirirá en su caída debe provenir de otro lugar. La respuesta (en
este ejemplo) es la gravedad: la pelota no llegó a lo alto de la torre
por si sola, alguien tuvo que subir la escalera para ponerla allá arriba
y ese alguien usó su energía (gracias las calorías proporcionadas por
un buen desayuno esa mañana) para moverse en contra de la fuerza de
gravedad y llevar la pelota a la torre. Mientras la pelota era llevada
desde el piso hasta lo alto de la torre su energía aumentaba con la
altura, pero esa energía no es cinética, por el contrario es una energía
que tiene “el potencial” de convertirse en cinética: esa energía es la energía potencial. En este ejemplo hablamos de energía potencial gravitatoria la que sólo depende de la masa de la pelota
, el valor de la aceleración de gravedad (que nos dice cuán rápido acelera un objeto en caída libre y denotada por
), y la altura
.
Esa energía
quedó almacenada en la pelota y apenas la soltamos comienza a
transformarse en energía cinética. Puede demostrarse que la velocidad de
la pelota al chocar con el piso es
, es decir, mientras más alta la torre
, más rápido se moverá la pelota cuando llegue al piso.
Existen otros tipos de energía potencial, por ejemplo una flecha en un arco a punto de ser lanzada posee energía potencial elástica
la que proviene del esfuerzo del arquero para estirar la cuerda, por
eso Katniss Everdeen consume un buen desayuno al comienzo de los Hunger Games.
¿Por qué la energía no se crea ni destruye, sólo se transforma?
Ahora que sabemos qué son la energía potencial y cinética, volvemos al principio de conservación de energía: la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.
En el ejemplo de la pelota y la torre, su energía potencial se
transforma en cinética mientras cae, pero la energía total (la suma de
energía cinética y potencial) es siempre la misma.
Esto nos explica en qué consiste la conservación de la energía pero no nos explica por qué la energía total se conserva.
Como estudiante de física, son varios los años durante los cuales este
principio es sólo eso, un principio, casi un dogma. Sin embargo en
ciencia los dogmas no sirven, en ciencia uno acepta resultados
experimentales y trata de describirlos usando teorías, por lo cual
esperamos que un principio pueda ser el resultado de algo más
fundamental. Hay que pasar por cursos de cálculo y ecuaciones
diferenciales para poder acceder a un curso de Mecánica Lagrangiana
en el que al fin se comprende el origen de la conservación de la
energía, sin embargo voy a usar el ejemplo de la pelota y la torre para
intentar explicarlo.*

Sistema para aprovechar hipotético cambio en la gravedad para generar electricidad gratis.
Supongamos que en un mundo hipotético los físicos hacen un extraño
descubrimiento: el martes de cada semana la aceleración de gravedad
disminuye su valor
,
por ejemplo a la mitad. Esto significaría que subir la pelota hasta lo
alto de la torre un día martes requeriría la mitad de energía que
cualquier otro día de la semana. Aquí es donde un buen ingeniero tendría
la siguiente idea: construyamos un generador de electricidad con una
turbina movida por agua proveniente de lo alto de una torre. Cada martes
una bomba elevaría agua suficiente para el resto de la semana
consumiendo una energía
(donde
es la masa total de agua); luego, la turbina se haría funcionar de miércoles a lunes generando una energía total igual a
. Dado que
es directo notar que
,
por lo tanto nuestro generador producirá más energía que la usada para
elevar el agua hasta la torre porque durante el resto de la semana la
gravedad es mayor. En otras palabras, en este mundo hipotético la
energía no se conservaría! Ya que la energía final sería mayor a la
energía inicial, este sistema permitiría generar más electricidad que la
gastada, es decir, generaría electricidad gratis y por lo tanto un
excelente negocio.
Este ejemplo dista mucho de ser una demostración del principio de la
conservación de la energía, pero nos muestra que si las leyes de la
física (la aceleración de gravedad en este ejemplo) fueran distintas
cierto de día de la semana entonces la energía no se conservaría. Esto
nos lleva a pensar que el principio de conservación de la energía está
de alguna manera relacionado con el posible cambio de las leyes de la
física con el tiempo. Justamente este es el motivo: la energía total de un sistema se conserva porque las leyes de la física no cambian con el tiempo. Los físicos usan palabras más complejas para decir que “la conservación de la energía se debe a que las leyes de la física son invariantes ante traslaciones temporales” lo que en español simple significa que “la energía se conserva porque las leyes de la naturaleza no cambian con el tiempo”.
Un sistema cambia, el universo cambia, pero las leyes de la naturaleza
son las mismas hoy, hace 13 mil millones de años y serán las mismas
mañana. Por lo menos eso muestran los experimentos.
Justamente por esto
hay muchos científicos que buscan evidencia de que las constantes de la
naturaleza no son tan constantes, ya que de verificarse que las
constantes (por ejemplo la velocidad de la luz o la carga eléctrica de
un electrón) cambiaran levemente con el paso del tiempo, significaría
que lo que llamamos conservación de la energía es en realidad una
aproximación y no una ley de conservación.
Por ahora, la energía se conserva
Cada vez que aparece en los medios que un ingeniero inventó una
“máquina que genera más energía de la que requiere para funcionar” los
físicos arrugan el ceño, ya que de ser cierto implicaría que las leyes
de la física cambian con el tiempo, cosa que ningún experimento ha
mostrado hasta ahora. Muchas veces se critica a los científicos por no
ser abiertos de mente ante estas posibilidades, sin embargo muchas veces
no es por ser cerrado de mente sino que es debido a que estas
invenciones tan espectaculares pueden contradecir ciertos principios
fundamentales de los cuales el inventor y quienes leen la noticia pueden
no estar enterados. Ello no significa que hay que asumir que el
principio es correcto, al contrario, la ciencia avanza al testear todos
estos principios una y otra vez. Por ahora no hay evidencia de que las
leyes de la física cambien con el tiempo pero es importante seguir
verificando esta afirmación, cosa que muchos científicos hacen hoy en
día. Personalmente, mi investigación consiste en poner a prueba otro
principio de la naturaleza (espero contar más detalles en el futuro).
En
un post anterior
contaba cómo el neutrino fue literalmente inventado para explicar un
fenómeno que parecía violar la conservación de la energía, y aunque
algunos eminentes científicos consideraron la posibilidad de que la
energía no se conservara en el decaimiento beta nuclear, Pauli y su idea del neutrino demostraron tener la razón.
Hasta la fecha no hay evidencia de algún cambio en las leyes de la
física con el paso del tiempo por lo que podemos no sólo decir con
confianza que por ahora la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma sino que también el por qué.
Imágenes: NetPlaces, IMDb. *: este ejemplo aparece planteado por L.Lederman en su libro “Symmetry”.
Acerca del autor.
Fuente:
Conexión Causal