Principio de conservación de la energía 

El principio de conservación de la energía establece que la energía total de un sistema aislado (por ejemplo, un cuerpo y su entorno) se mantiene constante a lo largo del tiempo. Es decir, la energía no se puede crear ni destruir, solo puede transformarse de una forma a otra. Por ejemplo, si una bicicleta en movimiento pierde velocidad, su energía cinética disminuye, pero esta energía no desaparece, sino que se transforma en otras formas de energía, como energía potencial (subiendo una cuesta) o calor (disipándose por fricción con los frenos).

Respecto a esto último, la energía que alimenta las máquinas o dispositivos se puede convertir en trabajo útil y en otras formas de energía, pero parte siempre se transforma en una forma de energía menos útil: el calor. Este calor se disipa hacia el entorno, lo que resulta en una disminución de la eficiencia del sistema. Es lo que conocemos como degradación de la energía. Este proceso es irreversible: la energía que se convierte en calor no puede volver a transformarse completamente en una forma útil, como la energía cinética o potencial. Este fenómeno establece una de las limitaciones en los sistemas energéticos, ya que ninguna máquina, por eficiente que sea, puede lograr una conversión completa de la energía en trabajo útil, por lo que su rendimiento nunca es del 100%. Siempre se pierde parte de la energía en forma de calor debido a factores como el rozamiento o la resistencia eléctrica. Esto imposibilita construir un "motor perpetuo", es decir, una máquina que pudiera funcionar indefinidamente a partir de una energía inicial, sin pérdidas, y sin necesidad de suministrar energía adicional. 

Energía cinética

Como ya hemos visto en la sección anterior, la energía cinética es la energía asociada al movimiento de un cuerpo. Esta energía depende de dos factores: la masa (m) del cuerpo y su velocidad (V).

• Es directamente proporcional a la masa del cuerpo. Esto significa que a mayor masa, mayor será la energía cinética. Si dos objetos se mueven con la misma velocidad, el objeto con mayor masa tendrá una mayor energía cinética.
• Es proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto implica que si la velocidad de un cuerpo se duplica, su energía cinética aumentará por un factor de cuatro. Es decir, un pequeño aumento en la velocidad de un objeto resulta en un gran incremento de su energía cinética.

Matemáticamente, la energía cinética (E_c) se calcula mediante la siguiente fórmula:

\[ E_c = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2 \]

Recuerda utilizar unidades del S.I. para la masa (kg) y para la velocidad (m/s), y de esta forma la energía quedará expresada en julios (J). 

Energía potencial

La energía potencial es la energía almacenada en un sistema o cuerpo debido a la posición que ocupa, y tiene la capacidad de convertirse en otro tipo de energía, como la cinética, cuando el cuerpo cambia su posición. Puede ser de varios tipos: gravitatoria, elástica, o eléctrica. 

La energía potencial gravitatoria es la energía que posee un cuerpo debido a su posición en un campo gravitacional. Esta energía depende de la altura (h) a la que se encuentra con respecto a un nivel de referencia (generalmente el nivel del suelo), y de su masa (m). Cuanto mayor sea la altura y mayor sea su masa, mayor será la energía potencial gravitatoria (E_p) de ese cuerpo. Se calcula con la fórmula:

\[ E_p = m \cdot g \cdot h \]

Energía mecánica

La energía mecánica es la suma de las energías cinética y potencial de un cuerpo. En otras palabras, es la cantidad total de energía asociada al movimiento y a la posición de un cuerpo dentro de un sistema. Por lo tanto, se calcula sumando estas dos magnitudes:

\[ E_m = E_c + E_p \]

Si sobre ese sistema no actúan fuerzas no conservativas, como el rozamiento, no habrá pérdida o disipación de energía mecánica. En esos casos, la energía mecánica total del sistema se conserva a lo largo del tiempo. Eso significa que la suma de la energía cinética y la energía potencial permanece constante, aunque se puede transformar entre sí. Es lo que se conoce como principio de conservación de la energía mecánica. Por ejemplo, si un objeto cae desde una determinada altura, su energía potencial se va convirtiendo en energía cinética a medida que pierde altura, pero la energía mecánica total del sistema en conjunto no cambia. Matemáticamente en esos casos, se cumpliría que la energía mecánica antes (Em1) y después (Em2) de caer vale lo mismo.

\[ E_{m1} = E_{m2} \]

\( E_{c1} + E_{p1} = E_{c2} + E_{p2} \)

En cambio, cuando sobre el sistema actúan fuerzas disipativas como el rozamiento, parte de la energía mecánica se pierde en forma de calor. En estos casos no se cumple el principio de conservación de energía mecánica, pero sigue siendo válido el principio general de conservación de la energía que vimos al principio de la sección, dado que la energía total en el universo no puede aumentar ni disminuir. Parte de la energía mecánica se ha transformado en energía térmica o calor debido al trabajo realizado por la fuerza de rozamiento (Wr), y la suma total de todas las formas de energía sigue siendo constante en el universo:

\[ E_{m1} = W_r + E_{m2} \]