Si un objeto cae, con respecto a la resistencia del aire, ¿la energía potencial o cinética se convierte en energía térmica a medida que cae?

De hecho, la fricción con el aire frena la caída de la bola. La fricción es mínima si la pelota permanece en su lugar (es decir, puede haber solo algo de fricción debido a las corrientes de aire). Pero si la pelota se mueve, la fricción es mayor porque a medida que la pelota se mueve, empuja las moléculas de aire para hacer espacio. La fricción se opone al movimiento de la bola. Entonces, de hecho, el calentamiento toma de la energía cinética a través de la fricción, no de la energía potencial. El sentido del texto, según tengo entendido, es que, en definitiva, la energía cinética que adquiere la pelota durante su caída no es igual a la energía potencial total$M_b gH$.

A medida que la pelota se mueve, interactúa con el campo gravitatorio local y con el aire. La interacción con el aire incluye tanto la viscosidad como un ajuste del flujo regular del aire (moviendo las líneas de flujo) y, relacionado con esto, la turbulencia detrás de la pelota. La pelota acelera en cada momento en proporción a la resultante de todas estas fuerzas. A medida que se mueve a través de cualquier cambio de altura dado, su energía potencial gravitacional cambia precisamente en la cantidad asociada,$m g (h_f - h_i)$. Sin embargo, su energía cinética no aumenta en esta cantidad, ya que la pelota está realizando trabajo en el aire. Este trabajo da energía cinética a las moléculas de aire, parte de ella en forma regular (no calor) y parte en forma irregular, lo que puede llamarse calor o energía térmica (ambos términos están bien, pero si quieres sea ​​estricto, entonces use la palabra calor para la energía en tránsito de un sistema a otro, y energía interna para la energía cuando llega a algún otro sistema, en este ejemplo el aire).

La parte regular del movimiento del aire finalmente se desvanece, y entonces se puede decir que toda la energía adquirida por el aire es como si hubiera absorbido esa cantidad de calor. La pelota en sí también adquirirá algo de calor y, en consecuencia, se calentará. (Y luego habrá otro proceso de transferencia de calor entre el aire y la bola).

Si un autor dice que parte de la energía potencial gravitacional se ha convertido en calor, entonces se está refiriendo al resultado general; es un resumen perfectamente correcto, pero también es correcto decir que la conversión se realiza a través del movimiento de la pelota. Entonces, su intuición de que la pelota primero capta energía cinética y luego esta energía pasa parcialmente al aire, es sólida, siempre que se dé cuenta de que todo el proceso es continuo.

Tenga en cuenta que durante la caída de una pelota, la fricción del aire es despreciable, y lo llamamos caída libre, solo$\vec{P}$se aplica, el trabajo de esta fuerza viene dado por:$W(\vec{P})=mgl$.

En este caso, el aire frena la caída de la pelota, por lo que hay absolutamente dos fuerzas, el peso y el contacto con el aire, sea$\vec{f}$, su trabajo será :$W(\vec{f})=\vec{f}.\vec{l}$

La velocidad de esta pelota no es constante por lo que la$\sum W \neq 0 \Leftrightarrow \Delta E_k\neq0$y la variación de la energía potencial$\Delta E_p=-W(\vec{P})$

De vuelta a la caída libre;$\Delta E_k=\sum W \Leftrightarrow \frac{1}{2}mv_f^2-\frac{1}{2}mv_i^2=W(\vec{P})$

$\frac{1}{2}mv_f^2-\frac{1}{2}mv_i^2=-mg(z_f-z_i)$

$\frac{1}{2}mv_f^2+mgz_f=\frac{1}{2}mv_i^2+mgz_i$

Sumando la constante de la energía potencial, obtenemos:$\frac{1}{2}mv_f^2+mgz_f+C=\frac{1}{2}mv_i^2+mgz_i+C$

Tenga en cuenta que :$E_p=mgz+C$tendremos :$E_{k_f}+E_{p_f}=E_{k_i}+E_{p_i} \Leftrightarrow E_{m_f}=E_{m_i} \Leftrightarrow \Delta E_m=0$

Por lo tanto, durante una caída libre, la energía mecánica (cinética y potencial) se conserva, pero ¿qué pasa en este caso?

Mencioné que la velocidad de la pelota no es constante y que hay una fuerza de fricción negativa (el trabajo es negativo debido al ángulo, tenga en cuenta que$W(\vec{f})=f.l.cos(\pi)=-f.l$), obviamente la energía mecánica no se conserva y por eso:

Bueno, para responder a esta pregunta, necesitarás la primera ley de la termodinámica.

La energía térmica y la energía térmica son prácticamente lo mismo. Mi profesor de ciencias me enseñó que debido a que la energía potencial está relacionada con la altura, sería la energía cinética la que se convierte en energía térmica.

En mecánica clásica, energía cinética,$\frac{m\vec v^2}{2}$, depende solo de la velocidad mientras que la energía potencial,$mgz$, depende sólo de la posición. Dado que la fuerza de fricción$^2$actúa para oponerse a la velocidad,$-k\vec v,^1$tu intuición es correcta: la energía potencial primero cambia a energía cinética y luego a calor (como fricción).

$^1$_{Una bola que gira o un objeto de forma extraña puede causar que la "fricción" actúe en una dirección visual, pero aún depende de la velocidad. Cuando la fuerza de fricción depende de la posición, como cuando una bola de boliche sale de la parte engrasada de la pista, hace que el coeficiente de fricción sea$k$, dependiendo de la posición,$k(\vec x)$, pero aún reduce la energía cinética del objeto.}

$^2$_{La fricción hace que un sistema no sea conservativo de la energía, por lo que en su mayoría usamos la imagen de la fuerza (o las ecuaciones de movimiento) para los problemas de fricción.}