Energía relativista: [Concepto, Funcionamiento, Ventajas y Desventajas]

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¿Qué es la energía relativista?

La energía relativista de una partícula es definida como la suma de su energía cinética y de su energía en reposo.

¿Qué es la energía relativista?En física, la energía relativista es una propiedad de todo sistema físico (masivo o no masivo). 

Su valor aumenta cuando se le entrega energía por cualquier proceso y toma el valor cero (0) cuando el sistema desaparece o se aniquila.

En consecuencia, para un determinado sistema de referencia inercial, su valor dependerá del estado del sistema físico y sólo será constante si este sistema se encuentra aislado.

Cuando Albert Einstein, considerado el físico más importante de todos los tiempos, dedujo por primera vez su famosa fórmula Energía=mc2, no había comprendido cuánto marcaría el curso de la historia con sus teoremas sobre la Relatividad Especial y Relatividad General.

Descifrando la ecuación

Espaciotiempo se convirtió en un concepto fusionado, único e indivisible, al igual que la masa-energía

¿Qué significan las letras de esta famosa ecuación?

  • E = Energía.
  • m = Masa.
  • c2 = Velocidad de la luz en el vacío.  
    

Cuando se calcula la velocidad, debe dividirse la distancia recorrida entre el tiempo que demoramos en recorrerla. Esa fórmula tiene dos elementos que hay que cambiar: espacio y tiempo, porque la velocidad de la luz permanece inalterable.

Recordemos que la energía es una propiedad de los objetos que les permite ejecutar un trabajo. En ese proceso, podemos transferirle energía al objeto para que se mueva.

La masa también está muy relacionada con el movimiento. Pero también se asocia a la inercia, que es un estado de resistencia al movimiento que ostentan los cuerpos muy pesados o aquellos que no podemos frenar o detener cuando adquieren gran velocidad.

La masa entonces es la medida de la inercia que presentan los cuerpos. Algo que tenga mucha masa difícilmente puede acelerarse y frenar. La energía y la masa en la ecuación son equivalentes.

Algunos físicos hablan de que la masa es una forma de energía, y no exageran. Podemos convertir mucha masa en energía y viceversa.

Por ejemplo, es posible transformar la masa de algunos átomos en energía para alimentar un reactor nuclear o transformarla para otros usos de naturaleza bélica, donde se libera una cantidad de energía enorme que destruye todo cuanto le rodea.

¿En qué unidades se mide la energía relativista?

Se utilizan las siguientes medidas para calcular la energía relativista, a partir de la conocida ecuación de Albert Einstein, padre de la Relatividad.

  • E = energía medida en joules (J).         
  • m = masa es medida en kilogramos (kg).
  • c = la velocidad de la luz es medida en metros sobre segundo (ms-1), pero necesita estar elevada al cuadrado.

¿Cómo funciona la energía relativista?

¿Cómo funciona la energía relativista?La masa y la energía están íntimamente vinculadas, con una relación de equivalencia que el físico alemán Albert Einstein describió en su teoría de la relatividad especial.

En otras palabras, una pequeña cantidad de masa equivale a una cantidad enorme de energía. La energía relativista es infinita cuando un cuerpo se mueve a velocidades cercanas a la luz. 

Por tanto, esta se vuelve infinita y no hay fuerza capaz de acelerarla, por lo que la velocidad de la luz es un límite físico insuperable. Si revisamos que la masa ha sido definida como el cociente entre fuerza y aceleración, entenderemos que la masa es la medida de un cuerpo para aumentar su velocidad.

Sin embargo, esto en modo alguno debe hacernos caer en la equivocación de pensar que si viajamos a velocidades cercanas a las de la luz, veremos cómo aumenta la masa.

Es incorrecto creer que toda la masa de un cuerpo se transforma en energía. O al revés. Que una gran cantidad de energía puede convertirse en masa. 

¿Sabías qué...?
La masa no varía. Lo que aumenta con la velocidad es la llamada masa relativista, cuyo significado no es igual a la masa inercial, o masa en reposo.

Tenemos por ejemplo, el caso de una barra de chocolate, que posee unas 240 kcal (1000 kJ). Pero si le aplicamos la ecuación, no es cierto que ascendería a unos 3 600 000 000 000 kJ. 0 ¡Claro que no!

La energía procedente de los alimentos se almacena en ciertos enlaces, pero el resto es inaccesible y se encuentra en el interior de las moléculas y átomos. De aquí que en los procesos que afectan la estructura atómica, la energía que se libera sí alcanza magnitudes inmensas.

¿Cómo funciona la energía relativista?Quizá por eso hoy día muchos autores apuntan que es mejor no utilizar el calificativo de relativista, sino de energía total y masa invariable, para subrayar que el valor de m0 es el mismo en cualquier sistema, mientras que el valor de E (energía) dependerá del sistema seleccionado.

Asimismo, debemos recordar que la velocidad y la fuerza son magnitudes vectoriales. La masa será masa relativista, si aplicamos una fuerza a un cuerpo que se mueve a velocidades cercanas a la luz, en la misma dirección de movimiento.

Pero si esa fuerza la aplicamos en forma perpendicular al movimiento, el llamado factor Lorentz será uno, debido a que la velocidad en esa dirección será cero. Así que entonces vamos a percibir una masa muy diferente.

En conclusión, la masa podrá variar, pero dependiendo no solamente de la velocidad, sino también de la dirección de la fuerza aplicada. Por lo tanto, queda totalmente descartado con este razonamiento, que la masa relativista sea un concepto físico real.

¿Qué necesitamos para producir energía relativista?

Qué necesitamos para producir energía relativistaPrimero que nada veamos la relación entre el Relativismo y el Principio de Conservación de la masa y la energía.

Más que almacenarse, es menester tener claro que el principio de la Relatividad exige que el principio de conservación de la energía debe cumplirse en cualquier sistema de coordenadas.

En este sentido, tenemos que la archiconocida equivalencia entre masa y energía solamente es válida para el estado de reposo, pero cuando la masa se mueve a una determinada velocidad, es necesario agregar el llamado factor Lorentz a la ecuación.

Así es como el principio de Conservación de la Energía se fusiona con el Principio de Conservación de la masa. Pero también hay una relación muy interesante entre Energía y Cantidad de Movimiento.

La cantidad de movimiento en un cuerpo se define, en términos relativistas, a través de la siguiente ecuación:           . Y se relaciona con la energía mediante la siguiente ecuación:         . Vemos que el segundo término se anula, pero no el primero, por lo que su energía es E=pc.

Esta expresión suele generar dudas, porque una de sus implicaciones justifica la energía de partículas sin masa, como los fotones, para las cuales el segundo término se anula, pero no el primero, por lo que su energía es E=pc.

¿Cómo se almacena la energía relativista?

¿Cómo se almacena la energía relativista?Cada átomo es una pequeña esfera repleta de energía e inclusive es posible tomar la energía como partículas de luz (se les llama fotones) y convertirla en materia.

Por lo tanto, es altamente eficiente y bien aprovechada, reporta grandiosas soluciones a las necesidades energéticas del ser humano.

Necesidades energéticas como transformar la energía nuclear en electricidad, a partir de procesos complejos de fisión y fusión. De allí que Einstein sea considerado el padre de la física nuclear.

¿Es un tipo de energía eficiente?

El aporte revolucionario de Relatividad de Albert Einstein y su famosa ecuación, es que la masa y la energía son lo mismo. Una puede transformase en la otra, sin violentar las dos Leyes de la Conservación.

Ambas cantidades se conservan, incluso si el estado masa/energía cambio. La energía relativista es la suma de su energía cinética y su energía en reposo. Por lo tanto, es altamente eficiente, tiene mucha energía disponible para su uso.

¿Cómo se transforma?

¿Cómo se transforma la energía relativista?No olvidemos que la Teoría de la Relatividad Especial de Albert Einstein introduce el concepto de la luz en el espacio-tiempo.

Einstein estableció que la luz viaja siempre a la misma velocidad, no importa en cuál posición nos encontremos, bien sea en un tren, en un avión supersónico, donde sea.

La velocidad de la luz siempre será la misma, por lo que tendremos una velocidad máxima presente en el Universo, por la cual podemos transitar. Pero como nada puede viajar a mayor velocidad que la luz, surge la adición de velocidades de la relatividad.

Con este teorema, Einstein demuestra que toda esa energía disponible en la naturaleza se va a la masa, a una masa inercial que se define como aquella que registra resistencia a la aceleración.

Aumenta con la velocidad, de tal manera que cuando se acerca a la velocidad de la luz, esa resistencia a la aceleración se hace infinita. Por ejemplo, una pelota no se puede empujar más porque su resistencia a la aceleración lo impide.

Es infinita y esto crea una relación intrínseca entre masa y energía a través de la velocidad. La ecuación tiene dos grandes componentes:

  • Masa en reposo: es la masa existente debido a su cantidad de materia, considerada la energía nuclear fuerte.
  • Energía cinética: por todo lado, tenemos la energía debido a su movimiento.

Einstein también estableció que contrario a lo que se creía, el tiempo es relativo, cada quien tiene su propio ritmo, su propio tiempo. Y nosotros, por supuesto, viajamos, nos movemos a menor velocidad que la luz.

El tiempo se transforma, pero el espacio también lo hace. Eso quiere decir que la relación espaciotiempo se comprime cuando estamos en movimiento de una forma particular, no son absolutos, se transforman siempre en estas condiciones.

¿Cuáles son las ventajas o beneficios de la energía relativista?

  1. En la fórmula de Einstein E=mc2, se sentaron las bases de la Física moderna, porque se estableció que una masa pequeña, multiplicada por la velocidad de la luz (300.000 kms/s) al cuadrado, puede generar una gran cantidad de energía. Es decir, se descubrió que existe una relación intrínseca entre masa y energía, que tienen la misma naturaleza pero se encuentran en estados físicos distintos.
  2. Igualmente, se dieron luces para el desarrollo de la física nuclear a partir de estos teoremas de Einstein sobre Relatividad de la energía, o energía relativista, porque al romperse núcleos atómicos de uranio, se pueden liberar cantidades astronómicas de energía producidas en un reactor nuclear.
  3. Este descubrimiento también permitió el funcionamiento de los sistemas de ubicación geográfica  por GPS, basados en una red de satélites que orbita la Tierra unos 20.000 kilómetros de altura y a unos 14.000 kilómetros por hora.
  4. La teoría de la Relatividad, aunque parezca irrelevante para personas no familiarizadas con el mundo de la ciencia, también ha permitido avances significativos de aplicación práctica en la vida diaria, como el uso de celulares, internet, transmisiones globales de radio y televisión. Los electroimanes, por ejemplo, también funcionan a través de la relatividad.

¿Cuáles son las desventajas de la energía relativista?

¿Cuáles son las desventajas de la energía relativista?Las investigaciones de Einstein, que derivan en la formulación de la teoría de la Relatividad Especial en 1905, sirvieron de base teórica para que 40 años después se fabricara la bomba atómica.

Toda una contradicción para el ganador del Nobel de Física, quien siempre abogó por el pacifismo y luchó contra el nazismo invasor guerrerista de su natal Alemania.

Nazismo encarnado en el régimen de Adolf Hitler, de donde tuvo que huir por su condición de judío. Un incidente que lamentó mucho este genio universal; lo puso erróneamente al frente de la lista de los creadores de esta letal arma de destrucción masiva.

Su entrañable amigo, el también científico de origen húngaro Leó Szilárd, lo alerta acerca de experimentos realizados por los alemanes, quienes habían logrado la fisión de uranio con el fin de producir una bomba atómica.

Szilárd le pide a Einstein que, dado su gran prestigio en la comunidad científica, encabece una carta donde pida la intervención del gobierno de Estados Unidos, frente a semejante amenaza para la humanidad.

Redactaron la carta y fue entregada el 30 de agosto de 1939. Allí Einstein explica al presidente Franklin D. Roosevelt, entre otras cosas, el mal uso del uranio para fabricar bombas poderosas.

“Una sola de estas bombas, llevada por un barco y explotada en un puerto, podría destruir el puerto por completo, así como el territorio circundante”.  Recomienda que EE.UU. debía asegurarse el suministro de uranio y “acelerar” la investigación nuclear. La firma de Einstein funcionó.

Diez días después nació el comité Briggs, antecesor del denominado proyecto Manhattan que desarrolló con gran éxito la bomba atómica, al cual perteneció en sus inicios el genio alemán, tras una consulta puntual que le hicieron y que resolvió en dos días.

En realidad, nunca participó de este desarrollo atómico con fines belicistas, porque siempre se opuso a ello. En 1945, cuando por fin los alemanes se hallaban en el final de su dominio, Einstein le escribió de nuevo al presidente Roosevelt alertándole sobre la posibilidad de que Estados Unidos terminara usando el arma nuclear.

 

¿Es una energía renovable o no renovable?

Como ya hemos dicho, en realidad lo que se estableció a partir de las investigaciones de Einstein, es que la energía relativista es infinita cuando un cuerpo se mueve a velocidades cercanas a la luz.

Esto significa que se vuelve infinita y no hay fuerza capaz de acelerarla, por lo que la velocidad de la luz es un límite físico insuperable. Es inagotable, siempre está disponible en la materia, en la naturaleza, a menos que el sistema desaparezca.

¿Quién y cuándo se descubrió la energía relativista?

¿Quién y cuándo se descubrió la energía relativista?Albert Einstein dedujo por primera vez su famosa fórmula Energía=mc2, a principios del siglo XX, revolucionando el pensamiento de los físicos, de la ciencia y hasta de los filósofos.

Sus teorías, en torno a la Relatividad Especial (1905) y la Relatividad General (1915) establecieron cambios sustanciales en nociones fundamentales de la física.

Antes de la irrupción de esta teoría, el espacio y el tiempo se concebían como independientes entre sí y como referencias absolutas, con existencia previa a la del universo, creencia reforzada tras la formulación de las llamadas Leyes de Isaac Newton y los razonamientos de Descartes.

Asimismo, explicó que la materia y la energía son equivalente porque una transforma a la otra. Y ratificó que la materia contiene gran cantidad de energía.

También, hizo grandes aportes al funcionamiento de la gravedad, que no es una fuerza sino una configuración geométrica del espacio-tiempo, donde la materia ocasiona hondonadas en su tejido, atrayendo otras materias.

Igualmente, demostró que no es posible que nada material viaje a una velocidad superior a la de la luz. Esa velocidad será la misma para cualquier observador, no importa si esté en movimiento.

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Mi nombre es Teresa Vaz Ferrà y soy estudiante de Biología en Barcelona. Me gusta colaborar con esta página porque desde bien joven me ha encantado el funcionamiento de la naturaleza y la biología. Tenía claro que quería estudiar algo relacionado con estos temas y por eso me acabé decidiendo por Biología.