TRABAJO Y ENERGÍA

Llamamos energía a la capacidad que tiene un cuerpo o sitema físico para realizar transformaciones ( o de realizar un trabajo). La energía se presenta en diversas formas  todas ellas interconvertibles.

Como ya sabes la energía no se puede crear (sacar de la nada) ni destruir (aniquilar, hacerla desaparecer). Únicamente se puede transformar de una forma a otra.

La unidad de energía en el Sistema Internacional es el julio (J) que toma el nombre de James P. Joule, físico del siglo XIX autor de numerosos estudios sobre el calor.

El trabajo mecánico ( W ) es una de las formas de transmisión de energía más común entre los cuerpos y se  define de la siguiente manera (válida exclusivamente para fuerzas constantes):

Sin títuloWF = F · Δx · cos α

donde F es el módulo (la intensidad) de la fuerza, Δx es el módulo  del desplazamiento, y α es el ángulo que forman la fuerza con el desplazamiento. El trabajo es un escalar, o sea un número (con su unidad) que nos indica cuánto aporta una fuerza a desplazar un cuerpo.La unidad de trabajo en el S.I. es el julio que se define como el trabajo que realiza una fuerza de 1N cuando se desplaza su punto de aplicación 1 m.

Además de con el caso general comentado anteriormente podemos encontrarnos  con los tres casos siguientes:

Trabajo motor-resistente

Recordad que no debemos confundir trabajo mecánico con esfuerzo :

trabajo y esfuerzo

También podemos calcular el trabajo realizado de forma gráfica como puedes ver aquí.

Cuando actúan varias fuerzas sobre un cuerpo el trabajo total se puede calcular como la suma de los trabajos realizados por cada fuerza o determinando el trabajo realizado por la fuerza resultante de todas las que actúan:

trabajo varias fuerzas

 TRABAJO Y ENERGÍA CINÉTICA. TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS.

Un cuerpo, por el hecho de estar en movimiento, es capaz de realizar un trabajo. A esa capacidad se le denomina energía cinética (Ec) y depende de la masa y de la velocidad :

                                   Ec = ½ · (m · v2)

energía cinética

Un cuerpo puede realizar un trabajo a costa de su energía cinética y también puede aumentarla si se realiza trabajo sobre él. Esta relación queda expresada en el teorema de las fuerzas vivas o teorema de la energía cinética: “El trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética”

                                  WT = Ecf – Eco = ∆Ec

w y energía cinética

Como puedes observar en la simulación anterior puede producirse un aumento de la energía cinética del cuerpo (y por tanto de su velocidad) gracias al aporte de energía realizado por la fuerza resultante o también una  disminución de la energía cinética del cuerpo (y por tanto de su velocidad) debido a que la fuerza resta energía cinética al cuerpo. Ten en cuenta que la fuerza de rozamiento trasfiere la energía cinética del cuerpo al ambiente en forma de calor. Piensa qué ocurre si sobre el cuerpo no actúan fuerzas o las que actúan se anulan.

                     ENERGÍA POTENCIAL

 Este tipo de energía proviene de la capacidad que tiene un sistema material de producir transformaciones en sí mismo o en otro sistema material debido a su posición.

energía potencial gravSupongamos que mediante una fuerza F elevamos un cuerpo a velocidad constante (∆Ec = 0), desde una altura ho hasta otra h1. Hallemos el trabajo realizado por esta fuerza. Como el cuerpo no lleva aceleración el valor de la fuerza es igual al del peso.

WF =  mg (h1 – h0) · cos Oº = mgh1 – mgh0

En este caso el  trabajo realizado por esta fuerza no produce una variación de la energía cinética, sino de un tipo de energía diferente que depende de la altura.

Definimos  entonce una nueva magnitud escalar: la energía potencial gravitatoria Epg = mgh y diremos que el trabajo realizado por la fuerza se ha invertido en cambiar la energía potencial gravitatoria del cuerpo. A la hora de utilizar la expresión de esta energía debemos tener en cuenta algunas precisiones.

A las fuerzas que, como el peso, tienen asociada una energía potencial se les llama conservativas.

Si ahora dejamos caer el cuerpo desde la altura alcanzada vemos que el trabajo realizado por la fuerza gravitacional es igual a la variación negativa de su energía potencial gravitatoria:

W Peso = – (Ep1 – Ep0) = – Δ EP

 Energía potencial elástica

La fuerza ejercida por los muelles (fuerza elástica), también es conservativa.  La fuerza elástica no es constante, aumenta a medida que se estira o comprime el muelle y depende también del material con que se haya construido (hay muelles que son “más duros” que otros). Su módulo viene dado por              Felástica = k x  , su dirección es la de la recta que contiene al resorte y su sentido es opuesto al desplazamiento. Recordar que k es la constante elástica del muelle (depende del material de que esté hecho). En el S.I. se mide en N/m. Puedes comprobar la relación entre k y elasticidad del muelle:

 La cantidad de energía potencial que puede acumular un resorte está directamente relacionado con cuánto se ha comprimido o estirado ese resorte desde su posición de equilibrio. La expresión para la energía potencial elástica es:

 Ep = ½·K·x2

 Al igual que ocurría con la fuerza gravitatoria podemos concluir que:

W Felástica = – (Ep1 – Ep0) = – Δ EPe

             CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA

 Se llama energía mecánica (Em) a la capacidad de un sistema de realizar un trabajo y equivale a  la suma de las energías cinética y potencial de dicho sistema:

                                      Em = Ec + Ep

Una de las características de la energía no es sólo que pueda transmitirse, sino que también puede transformarse de una forma a otra. Cuando sobre un sistema sólo actúan fuerzas conservativas se cumple la energía mecánica de dicho sistema permanece constante:

                        Em,A = Em,B = Em, C = …….. = cte.

montaña rusa

 

conservación E

Mira las transformaciones energéticas que tienen lugar en un salto de pértiga:

saltador de pértiga

Si en un sistema aislado actúan fuerzas no conservativas cambia la energía mecánica.Eso no significa que no se siga cumpliendo el principio de conservación de la energía,sino que habrá transformación de energía mecánica en otro tipo de energía.

En este caso se cumple que el trabajo de las fuerzas no conservativas (por ejemplo la de rozamiento,que disipa parte de la Em en calor) será igual a la variación de energía mecánica del sistema:

                                  W Fno-cons = ΔEm

 Experimenta con los siguientes applets y resuelve las actividades planteadas:

plano inclinado y energía

bucle

                           POTENCIA

En la mayoría de los procesos de intercambio energético y/o realización de trabajo  un factor importante es el tiempo empleado en el proceso.  Para poder medir la rapidez con la que la energía se transfiere se define la potencia como la energía transferida por unidad de tiempo.

                                   P = ∆E/∆t = ∆W/∆t

La unidad de potencia en el SI es el watio( W ) que se define como la potencia desarrollada cuando se realiza un trabajo de 1 julio en 1 segundo : 1 W = 1J/1s. En el mundo del motor se usa con frecuencia otra unidad para medir la potencia: el caballo de vapor (CV) siendo 1 CV = 735 W.

En las máquinas que están destinadas a producir movimiento como, por ejemplo, los coches, es importante relacionar la potencia con la velocidad que son capaces de alcanzar:

                          P = ∆W/∆t = Fr/∆t = Fv

Aquí tienes las actividades que resolveremos en clase. Para practicar más, puedes pinchar en este enlace o en este otro. Además puedes hacer actividades de selectividad y también practicar con estas actividades interactivas

Anuncios

Responder

Introduce tus datos o haz clic en un icono para iniciar sesión:

Logo de WordPress.com

Estás comentando usando tu cuenta de WordPress.com. Cerrar sesión / Cambiar )

Imagen de Twitter

Estás comentando usando tu cuenta de Twitter. Cerrar sesión / Cambiar )

Foto de Facebook

Estás comentando usando tu cuenta de Facebook. Cerrar sesión / Cambiar )

Google+ photo

Estás comentando usando tu cuenta de Google+. Cerrar sesión / Cambiar )

Conectando a %s