Ing. Alejandro Chacha Córtez.
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ENERGÍA
El término energía (del griego ἐνέργεια [enérgueia], 'actividad', 'operación'; de ἐνεργóς [energós], 'fuerza de acción' o 'fuerza trabajando') tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento.
En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.
El concepto de energía en física
Mecánica clásica
En física clásica, la ley universal de conservación de la energía —que es el fundamento del primer principio de la termodinámica—, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece constante en el tiempo. Eso significa que para multitud de sistemas físicos clásicos la suma de la energía mecánica, la energía calorífica, la energía electromagnética, y otros tipos de energía potencial es un número constante. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica en función del movimiento de la materia, la energía potencialsegún propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella, la energía térmica según su capacidad calorífica, y la energía química según la composición química.
Mecánica relativista
En teoría de la relatividad el principio de conservación de la energía se cumple, aunque debe redefinirse la medida de la energía para incorporar la energía asociada a la masa, ya que en mecánica relativista, si se considerara la energía definida al modo de lamecánica clásica entonces resultaría una cantidad que no conserva constante. Así pues, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, poseen una energía adicional equivalente a , y si se considera el principio de conservación de la energía esta energía debe ser tomada en cuenta para obtener una ley de conservación (naturalmente en contrapartida la masa no se conserva en relatividad, sino que la única posibilidad para una ley de conservación es contabilizar juntas la energía asociada a la masa y el resto de formas de energía).
Mecánica cuántica
En mecánica cuántica el resultado de la medida de una magnitud en el caso general no da un resultado determinista, por lo que sólo puede hablarse del valor de la energía de una medida no de la energía del sistema. El valor de la energía en general es una variable aleatoria, aunque su distribución si puede ser calculada, si bien no el resultado particular de una medida. En mecánica cuántica el valor esperado de la energía de un sistema estacionario se mantiene constante. Sin embargo, existen estados que no son propios del hamiltoniano para los cuales la energía esperada del estado fluctúa, por lo que no es constante. La varianza de la energía medida además puede depender del intervalo de tiempo, de acuerdo con el principio de indeterminación de Heisenberg.
Energía en diversos tipos de sistemas físicos
La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva.Por lo tanto, todo cuerpo es capaz de poseer energía en función de su movimiento, posición, temperatura, masa, composición química, y otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, todas coherentes y complementarias entre sí, y todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.
Física clásica
En la mecánica se encuentran:
Energía mecánica, que es la combinación o suma de los siguientes tipos:
Energía cinética: relativa al movimiento.
Energía potencial: la asociada a la posición dentro de un campo de fuerzas conservativo. Por ejemplo, está la energía potencial gravitatoria y la energía potencial elástica (o energía de deformación, llamada así debido a las deformaciones elásticas). Unaonda también es capaz de transmitir energía al desplazarse por un medio elástico.
En electromagnetismo se tiene a la:
Energía electromagnética, que se compone de:
Energía radiante: la energía que poseen las ondas electromagnéticas.
Energía calórica: la cantidad de energía que la unidad de masa de materia puede desprender al producirse una reacción química de oxidación.
Energía potencial eléctrica (véase potencial eléctrico)
Energía eléctrica: resultado de la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos.
En la termodinámica están:
Energía interna, que es la suma de la energía mecánica de las partículas constituyentes de un sistema.
Energía térmica, que es la energía liberada en forma de calor.
Potencial termodinámico, la energía relacionada con las variables de estado.
Física relativista:
En la relatividad están:
Energía en reposo, que es la energía debida a la masa según la conocida fórmula de Einstein, E=mc2, que establece la equivalencia entre masa y energía.
Energía de desintegración, que es la diferencia de energía en reposo entre las partículas iniciales y finales de una desintegración.
Física cuántica:
En física cuántica, la energía es una magnitud ligada al operador hamiltoniano. La energía total de un sistema no aislado de hecho puede no estar definida: en un instante dado la medida de la energía puede arrojar diferentes valores con probabilidades definidas. En cambio, para los sistemas aislados en los que el hamiltoniano no depende explícitamente del tiempo, los estados estacionarios sí tienen una energía bien definida. Además de la energía asociadas a la materia ordinaria o campos de materia, en física cuántica aparece la:
Energía del vacío: un tipo de energía existente en el espacio, incluso en ausencia de materia.
"La energía se degrada continuamente hacia una forma de energía de menor calidad (energía térmica)". Dicho de otro modo, ninguna transformación se realiza con un 100 % de rendimiento, ya que siempre se producen unas pérdidas de energía térmica no recuperable. El rendimiento de un sistema energético es la relación entre la energía obtenida y la que suministramos al sistema.
APLICACIONES EN INGENIERÍA CIVIL
Aislación Sísmica y Disipación de Energía
Como forma de disminuir los efectos de los sismos en las estructuras o edificios, en Chile se esta utilizando la aislación sísmica de base y la disipación de energía. Ambas metodología han demostrado a nivel mundial que son capaces de disminuir notoriamente los daños que producen los terremotos en las estructuras o edificios.
Aislación sísmica de base: Esta basada en la idea de aislar una estructura del suelo mediante elementos estructurales que reducen el efecto de los sismos sobre la estructura. Estos elementos estructurales se denominan aisladores sísmicos y son dispositivos que absorben mediante deformaciones elevadas la energía que un terremoto transmite a una estructura. Estos dispositivos pueden ser de diferentes tipos y formas, los mas conocidos son los basados en goma de alto amortiguamiento, goma con núcleo de plomo, neoprenicos o fricciónales. Al utilizar estos elementos, la estructura sufre un cambio en la forma como se mueve durante un sismos y una reducción importante de las fuerzas que actúan sobre ella durante un sismo.
Efecto de un sismo en un edificio
Efecto de un sismo en un edificio con aislación de base
En Chile los mas usados son los de goma de alto amortiguamiento y los neoprenicos. Una aplicación de esta tecnología lo constituye el Edificio Andalucía que fue el primer edificio habitacional en Chile con aislación sísmica de base. Actualmente también se utiliza esta tecnología en obras civiles como el Viaducto Marga-Marga que fue el primer puente carretero construido con aislacion sísmica de base.
Aislador Edificio Andalucía
Aislador Viaducto Marga-Marga
Disipación de energía :
Esta basada en la idea de colocar en la estructura dispositivos destinados a aumentar la capacidad de perder energía de una estructura durante un terremoto. Toda estructura disipa o elimina la energía de un sismo mediante deformaciones. Al colocar un dispositivo de disipación de energía en una estructura, estos van ha experimentar fuertes deformaciones con los movimientos de la estructura durante un sismo. Mediante estas fuertes deformaciones se incrementa notablemente la capacidad de disipar energía de la estructura con una reducción de las deformaciones de la estructura. Estos dispositivos se conocen como disipadores de energía o amortiguadores sísmicos y pueden ser de diversas formas y principios de operación. Los mas conocidos son en base a un elemento viscoso que se deforma o con un elementos metálico que logra la fluencia fácilmente.
Ensayo de Disipador Viscoso de Energía
Disipadores Viscosos de Energía
En Chile, son de uso reciente en estructuras. El caso mas conocido es el Puente Amolanas que tiene 4 amortiguadores sísmicos.La división estructuras-construcción del Departamento de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile investiga la forma de desarrollar este tipo de tecnología y aplicarla en Chile. Fruto de estos trabajos son aplicaciones pioneras de la aislación sísmica de base en Chile, tales como el edificio Andalucía que es el primer edificio habitacional antisísmico del país, el Viaductos Marga-Marga que introdujo en el país la aplicación de aislación sísmica en obras viales y el Puente Amolanas que introdujo la aplicación de disipación de energía en obras viales.
Edificio Andalucía
Puente Amolanas
Viaducto Marga-Marga
ENERGIA Y LAS OBRAS CIVILES
A pesar de la difícil situación en España, todavía quedan muchísimas empresas de construcción que no han echado el cierre y que mantienen una buena salud gracias a que están aumentando su negocio fuera de nuestras fronteras. En uno de los últimos post señalábamos como la internacionalización se ha convertido en una de las mejores salidas para las empresas de materiales de construcción, ventanas, cerramientos acristalados y piedra natural porque las exportaciones están aumentando en casi todos los sectores y han pasado a ser el capítulo más positivo para estas industrias. Pues bien, ahora un nuevo estudio confirma que las pymes dedicadas a la construcción y, sobre todo, las que trabajan en el sector de las infraestructuras pueden encontrar grandes oportunidades en los mercados emergentes y, específicamente, en el ámbito energético.
Y es que, a medida que las principales áreas urbanas se extienden con una población en constante crecimiento, la necesidad de infraestructuras también registra un importante crecimiento. Y esta situación supone una prueba para el sector de la ingeniería y de la construcción a la hora de ofrecer soluciones eficientes. Así lo pone de manifiesto un estudio de la consultora KPMG titulado "Las grandes oportunidades globales del sector de las infraestructuras", elaborado a partir de entrevistas realizadas a directivos de empresas de ingeniería y construcción de 27 países de todo el mundo,
Algo más del 40% de los directivos entrevistados prevé que el sector energético ofrecerá la mayor oportunidad de ingresos durante los próximos 12 meses. En segundo lugar se encuentran las obras civiles (puentes y carreteras) y según el 24% las vinculadas con el ámbito residencial, seguidas por las obras ferroviarias y mineras. Un directivo de la consultora explica que la demanda de firmas y empresas con habilidades específicas del sector de la ingeniería y la construcción crecerá a medida que los proyectos de energía proliferen en todo el mundo. Así, debería ser una importante fuente de ingresos para el sector en su conjunto.
El 49% de los participantes en el estudio espera que sus carteras de pedidos crezcan del 5 al 15% durante el próximo año. Y el 57% afirma que sus ingresos en 2011 se han incrementado respecto a los de 2010, siendo la región de Asia-Pacífico la que ha experimentado un mayor crecimiento (72%), seguida por la región de Europa Oriente Medio y África-EMEA- (53%) y América (41%).
Algunos ejemplos de países emergentes con buenas perspectivas para las empresas españolas podrían ser China, Brasil o India. En China, su política energética prevé el desarrollo de equipos de generación, redes de transporte inteligentes y de alta capacidad, etc. En Brasil la energía solar representa un mercado todavía joven e incipiente, pero con un futuro muy prometedor. Mientras que en India existe un movimiento creciente por parte de empresas españolas y donde cada vez más compañías están participando activamente, por ejemplo, en infraestructuras relacionadas con energía solar. Algunas lo han hecho creando una filial en el país o joint ventures con firmas locales, según se desprende de un informe de la Oficina Económica y Comercial de la Embajada de España en Nueva Delhi.
HIDROLOGIA
Se acepta que la Ingeniería Hidráulica es la rama de la Ingeniería Civil que se ocupa de planificar, proyectar y construir las obras hidráulicas, entendiéndose que son éstas las que cumplirán la función de captar, conducir, regular y protegernos de las aguas. Cualquier obra civil, cuyas dimensiones y características hayan sido establecidas atendiendo principalmente a criterios y normas hidráulicas e hidrológicas, es una obra o proyecto hidráulico.
De esta forma, el uso de la Hidrología en la Ingeniería Civil, es fundamental para el planeamiento, diseño y operación de los proyectos hidráulicos, pues es el que se orienta hacia los parámetros hidrológicos de diseño. Sin embargo, dada la dependencia de esta ciencia de los aspectos meteorológicos y ambientales, los resultados deberán ser considerados como estimados en muchos casos y por lo tanto será necesario complementar las incertidumbres con métodos probabilísticos.
Si el diseño en Ingeniería Civil se orienta al uso del agua con fines de Aprovechamiento, la Hidrología es empleada, por ejemplo, para estimar la posibilidad o no de realizar el abastecimiento de demandas de agua en una población, desde fuentes superficiales (Ríos, lagos) o Subterráneas.
Entre los usos más comunes del agua con fines de Aprovechamiento se destacan: PRESAS PARA GENERAR ENERGIA ELECTRICA , POTENCIAL , MECANICA CALORIFICA ETC.
HIDROELECTRICIDAD: Este es el caso en que se captan caudales de corrientes superficiales (ríos) y se aprovechan las diferencias de cota para generar energía eléctrica a través de la transformación de la energía hidráulica. Para este tipo de Proyectos de Ingeniería Civil, los estudios hidrológicos determinan la capacidad que tiene la fuente para suministrar la demanda de energía, analizan las magnitudes de las crecientes que pueden atacar a las obras civiles y cuantifican los procesos de sedimentación y determinan las condiciones de la descarga.
Potencia
Es la magnitud física escalar que caracteriza o mide la rapidez con que el cuerpo realiza trabajo o intercambia energía con otro cuerpo.
Antes del triunfo de la Revolución en Cuba toda la caña que se cortaba se alzaba hacia la carreta o el camión de forma manual y de esta forma un obrero necesitaba para llenar la carreta aproximadamente una jornada de trabajo, es decir 8h. Con el triunfo de la Revolución y la introducción de la técnica en la agricultura y en especial en la caña, comenzó a utilizarse la alzadora, la que en menos de una hora es capaz de llenar la carreta o el camión.
Así también, una grúa eleva en una obra de construcción varias centenas de ladrillos al piso más alto en el transcurso de unos cuantos minutos, si esa misma cantidad de ladrillos fuera transportado por un obrero, este necesitaría una jornada entera de trabajo.
De los dos ejemplos se pone de manifiesto, que se puede efectuar un mismo trabajo (llenar la carreta de caña o subir los centenas de ladrillos en diferentes tiempos. Es decir, que un mismo trabajo es realizado con mayor rapidez por la alzadora o por la grúa que por los obreros.
TIPOS DE POTENCIA
Potencia mecánica es aquel trabajo que realiza un individuo o una máquina en un cierto periodo de tiempo. Es decir que se trata de la potencia transmitida a través de la acción de fuerzas físicas de contacto o elementos mecánicos relacionados como palancas y engranajes.
Potencia eléctrica, que es el resultado de la multiplicación de la diferencia de potencial entre los extremos de una carga y la corriente que circula allí.
Potencia del sonido, que se calcula en función de la intensidad y la superficie, y a la potencia de un punto (si P es un punto fijo y C una circunferencia, la potencia de P respecto C es el producto de sus distancias a cualquier par de puntos de la circunferencia alineados con P; el valor de la potencia es constante para cada punto P).
Potencia (en óptica): inverso de la distancia focal de una lente o espejo.
Potencia acústica: la cantidad de energía por unidad de tiempo emitida por una fuente determinada en forma de ondas sonoras.
FÍSICA
INGENIERIA CIVIL
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