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Energía cinética rotacional para niños

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En el campo de la física, la energía cinética de rotación o energía rotacional es la energía cinética de un cuerpo rígido, que gira en torno a un eje fijo. Esta energía depende del momento de inercia y de la velocidad angular del cuerpo. Mientras más alejada esté la masa del cuerpo respecto al eje de rotación, se necesitará más energía para que el cuerpo adquiera una velocidad angular.

Esto puede ser ilustrado por el siguiente experimento: dos esferas de idéntica masa y radio se colocan sobre un plano inclinado. Una de las esferas esta hecha de un material ligero, como el plástico. Esta esfera es maciza y sólida. La otra esfera, en cambio, es hueca y esta hecha de un material más denso que el plástico. La esfera hueca rodará más lentamente, ya que toda su masa se acumula en una delgada capa, que está a una cierta distancia del eje de rotación. La esfera maciza se moverá más rápidamente, ya que porcentualmente sus partículas se encuentran más cerca del eje de rotación y por lo tanto se moverán más lentamente, puesto que éstas describen una trayectoria más corta que las partículas de la superficie de la esfera.

La energía rotacional es, entre otras cosas, de gran importancia para: turbinas, motores, generadores, neumáticos y ruedas, ejes, hélices.

Momento de inercia

Un cuerpo que rota en torno al eje x con velocidad angular \omega posee la energía rotacional:

E_\mathrm{rot} = \frac{1}{2} I_x \omega^2

Donde:

En general, esto se puede expresar como:

E_\mathrm{rot}= \frac{1}{2} \vec{\omega}^T I \vec{\omega} = \frac{1}{2} \sum_{\alpha, \beta = 1}^{3} I_{\alpha\beta} \omega_\alpha \omega_\beta

Donde:

Para calcular la energía de un cuerpo que rota en torno a un eje arbitrario (vector unitario\hat{n}), la velocidad angular se expresará por sus componentes vectoriales:

\vec{\omega} = \omega \hat{n} = \omega \cdot \begin{pmatrix}n_1\\n_2\\n_3\end{pmatrix}   donde   \left| {\hat{n}} \right| = 1

en el cual los componentes de n que representa los componentes de la dirección del eje de x,y y z. La energía de rotación es ahora:

E_\mathrm{rot} = \frac{1}{2} \sum_{\alpha, \beta = 1}^{3} I_{\alpha\beta} n_{\alpha} n_{\beta} \omega^2 = \frac{1}{2} \theta_n \omega^2

Aquí es \theta_n el momento de inercia respecto a un eje arbitrario \hat{n}

\theta_n = \sum_{\alpha, \beta = 1}^{3} I_{\alpha\beta} n_{\alpha} n_{\beta}

Ejemplo

Un cuerpo que gira alrededor de la diagonal formada por su superficie xy tiene la siguiente velocidad angular:

\vec{\omega} = \omega \hat{n}   donde   \hat{n} = \frac{1}{\sqrt{2}} \begin{pmatrix}1\\1\\0\end{pmatrix}

En consecuencia, el momento de inercia respecto a este eje:

\theta _{n}=\hat{n}^{T}I\hat{n}= \frac{1}{\sqrt{2}}\left( 1,1,0 \right)\left( \begin{matrix} I_{11} & I_{12} & I_{13} \\ I_{12} & I_{22} & I_{23} \\ I_{13} & I_{23} & I_{33} \\ \end{matrix} \right)\frac{1}{\sqrt{2}}\left( \begin{matrix} 1 \\ 1 \\ 0 \\ \end{matrix} \right) = \frac{1}{2} I_{11} + I_{12} + \frac{1}{2} I_{22}

Ahora uno obtiene la energía rotacional:

E_\mathrm{rot} = \frac{1}{2} \theta_n \omega^2 = \left( \frac{1}{4} I_{11} + \frac{1}{2} I_{12} + \frac{1}{4} I_{22} \right) \omega^2

Momento angular

La energía rotacional se puede expresar a través del momento angular:

E_\mathrm{rot} = \frac{1}{2} \vec{\omega} \cdot \vec{L} = \frac{\vec{L}^2}{2I}   donde   \vec{L} = I \cdot \vec{\omega}

Cabe señalar que, en general, el momento angular y la velocidad angular no son paralelas entre sí (excepto en la rotación alrededor de un eje principal de inercia).

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