La asociación tiempo-energía es recurrente en Física. Se dice que ambas magnitudes son conjugadas porque el principio de incertidumbre se puede re-escribir en términos de energía del paquete de ondas y la duración del mismo. Por otro lado, según el teorema de Noerthe, se conserva la energía (Hamiltoniano) de un sistema cuando éste es homogéneo en el tiempo, es decir, su acción mantiene el mismo valor antes y después y no existe un origen de tiempos. Del mismo modo que coordenada y momento son magnitudes conjugadas a través de las ecuaciones de Hamilton, la Lagrangiana (acción) y tiempo también lo son. Por otro lado, la entropía informa del flujo de energía en el sistema y con ello del tiempo. Por último, si se impone como adimensionales las cinco constantes fundamentales elegidas por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas como referencias invariantes, las magnitudes fundamentales cuyas dimensiones cambian son: longitud, masa, intensidad de corriente eléctrica, temperatura termodinámica y cantidad de sustancia. En este contexto, la masa, la temperatura y la intensidad de corriente tienen dimensiones de inversa del tiempo lo que confirma la interpretación de estas magnitudes como flujos o paso del tiempo.
Composición de movimientos desde la interpretación energética
Muchos problemas de cinemática en sistemas conservativos, que no dependen del tiempo, se deducen por conservación de la energía. De la misma manera, la composición de movimientos (independientes, es decir, perpendiculares) se puede inferir a partir de la forma analítica de la energía mecánica. Si es posible escribir la energía mecánica con variables separables, es decir, términos aditivos que dependen exclusivamente de cada variable y por tanto, cada uno de ellos ha de ser constante, estamos ante una problema de composición de movimientos. Aplíquelo al tiro parabólico usando las coordenadas cartesianas y sus derivadas temporales como variables.
En Física, la mayoría de los problemas no se plantean con variables separables. El reto es encontrar las variables adecuadas para ello. La hipótesis de variables separables revela simetrías o la superposición de movimientos (como en las funciones de ondas).
Potencia, ¿trabajo o energía por unidad de tiempo?
La potencia mecánica consumida por una determinada fuerza es su trabajo elemental por unidad de tiempo infinitesimal o también la derivada temporal del trabajo realizado (integral) por dicha fuerza en una trayectoria dada (y con ella, en un tiempo dado). La potencia eléctrica también se define como el trabajo elemental eléctrico (de origen electrostático o no) consumido por unidad de tiempo infinitesimal. Sólo para el caso de movimiento de cuerpos (cargas), la potencia instantánea se puede escribir como el producto escalar de fuerza por velocidad. La derivada temporal de la energía mecánica NO es la potencia mecánica total. Numéricamente, la derivada temporal de la energía mecánica puede coincidir con una de las potencias consumidas (normalmente por fuerzas disipativas).
Un medio material se puede modelar como un conjunto de osciladores armónicos ACOPLADOS. En ese modelo, la energía mecánica de cada oscilador no es constante. La potencia de una onda mecánica, que nunca transporta materia aunque se origina por el movimiento local del medio, es la derivada de la energía mecánica local de un elemento infinitesimal del medio (un oscilador armónico) por el que se propaga la onda. En medios no absorbentes y ondas progresivas, esta potencia se conserva punto a punto y en ondas finitas (pulsos), la potencia se propaga con la onda.
Ambas potencias se miden en W.
Energía mecánica y ligaduras reónomas
Cuando un sistema está condicionado por una ligadura reónoma (acción de un motor que impone un giro, por ejemplo), la energía mecánica no se conservará (y posiblemente la transformada de Legendre de la Lagrangiana en las velocidades tampoco). Existe un aporte energético no nulo del agente externo que impone la ligadura. A priori, debido a la naturaleza de la ligadura, el tiempo debe aparecer explícitamente en la energía/lagrangiana (normalmente en el término cinético) y eso nos indica que no tiene un valor estacionario. Sin embargo, hay casos como el de la cuenta ensartada en un alambre circular que gira a velocidad constante, donde la energía mecánica no tiene una dependencia explícita con el tiempo y puede aparentar que adopte un valor estacionario. Sin embargo, se comprueba que es el hamiltoniano el que se mantiene constante durante todo el movimiento posible del sistema. Como en los sistemas reónomos generales, la energía no coincide numéricamente con el hamiltoniano, el razonamiento nos lleva a que si existen tres posibles constantes del movimiento, y una de ellas, la de carácter energético, ya es el hamiltoniano, la energía mecánica NO será constante. No podemos confundir la conservación de la energía mecánica con la situación de equilibrio dinámico, donde la masa se encuentra a una altura fija y gira solidaria con el alambre. En ese caso, obviamente la energía de la masa se mantiene constante porque no cambia el estado de movimiento ni la posición.
Un choque plástico a cámara lenta
Existe un ejemplo paradigmático para entender la pérdida de energía durante un choque inelástico, en particular plástico:
Sea una plataforma muy larga en movimiento rectilíneo uniforme sobre un suelo pulido. De repente se posa sobre la plataforma un bloque con velocidad nula. En ese instante, el bloque se acelera por acción de la fuerza de rozamiento de la plataforma que va a favor del movimiento absoluto, mientras la plataforma se decelera por (re)acción de la fuerza de rozamiento del bloque que se opone al movimiento. Tras un tiempo, las velocidades de ambos cuerpos coinciden y desde ese momento, ambos siguen solidarios a una velocidad constante que deberá cumplir la relación que dicte la conservación de la cantidad de movimiento (ausencia de fuerza externa neta en la dirección del movimiento). Si se examina la energía cinética del sistema, hay pérdida y en este caso es en forma de calor por el rozamiento interno.