1. Trabajo y Energía

TRABAJO (W): Se realiza cuando al aplicar una fuerza a un cuerpo se produce un desplazamiento en la dirección de esta.

ENERGÍA (E): Es la capacidad que tienen los cuerpos de producir transformaciones, como, por ejemplo, realizar un trabajo.

El trabajo y la energía son magnitudes escalares y su unidad en el Sistema Internacional (S.I.) es el julio (J).

No siempre que se consuma energía o se realice un esfuerzo, se va a conseguir trabajo, solamente cuando el cuerpo se desplace en la dirección de la fuerza.

Cuando un cuerpo realiza un trabajo, pierde energía, que gana, a su vez, el cuerpo sobre el que se realiza el trabajo.

La variación de energía que ha tenido lugar es igual al trabajo realizado.

2. Trabajo Realizado por una Fuerza

El trabajo mide la cantidad de energía que se pone en juego en un determinado proceso al aplicar una fuerza que produce un desplazamiento en la dirección de esta.

Hay que tener en cuenta dos factores:

• Sin desplazamiento no hay trabajo.
  Cuando sostenemos un objeto en la mano o empujamos algo demasiado pesado, nuestros músculos ejercen una fuerza, pero no realizan trabajo porque el objeto no se mueve.
• El desplazamiento tiene que producirse en la dirección de la fuerza.
  Cuando nos desplazamos horizontalmente sosteniendo un objeto, la fuerza ejercida es vertical y no produce trabajo.
  Todo desplazamiento perpendicular a la dirección de la fuerza no implica realización de trabajo.

El trabajo se define matemáticamente como:

W = F · s

Donde:

• W: trabajo (J)
• F: fuerza (N)
• s: desplazamiento (m)

Teniendo en cuenta la definición de trabajo, nos podemos encontrar tres situaciones:

1. Trabajo máximo y positivo.
   Cuando la dirección y el sentido de la fuerza aplicada en un cuerpo coincide con los del desplazamiento.
2. Trabajo negativo.
   Cuando la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección, pero sentidos opuestos.
3. Trabajo nulo.
   Cuando la dirección de la fuerza y el desplazamiento son perpendiculares.

3. Potencia

La POTENCIA (P) es la rapidez con la que se realiza un trabajo.

Matemáticamente se expresa como:

P = W / t

Donde:

• P: potencia (W)
• W: trabajo (J)
• t: tiempo (s)

Su unidad en el S.I. es el vatio (W).
Otra unidad también utilizada es el caballo de vapor (CV).

1 CV = 736 W

En la realidad, la potencia real de una máquina no coincide con la potencia teórica que se debería obtener, debido a los rozamientos, vibraciones y calentamientos que sufren sus componentes.

Para medir esta pérdida de potencia, definimos el rendimiento de una máquina como:

Rendimiento (%) = (P_real / P_teórica) · 100

Ejemplo: Un motor invierte 14 s en elevar un bloque de 100 kg hasta 16 m de altura. El fabricante indica que tiene una potencia de 1450 W. Calcula la potencia real y el rendimiento.

4. Energía Mecánica

Un cuerpo posee energía cuando tiene capacidad para realizar un trabajo.

El trabajo es la forma de expresar la cantidad de energía que ha pasado de una forma a otra o de un lugar a otro.

La ENERGÍA MECÁNICA (E_m) está asociada al movimiento de los cuerpos y se estudia bajo dos aspectos: energía cinética y energía potencial.

E_m = E_c + E_p

4.1. Energía Cinética

Si aplicamos una fuerza a un cuerpo de masa m que está en reposo, el cuerpo se acelera, ganando velocidad, y recorre una determinada distancia.

Mientras la fuerza actúa sobre él y se mueve, se realiza un trabajo, el cual se manifiesta en forma de energía cinética.

La ENERGÍA CINÉTICA (E_c) se define como la capacidad para realizar trabajo por el hecho de estar en movimiento y depende de dos factores: la masa del cuerpo y su velocidad.

Se calcula mediante la siguiente expresión:

E_c = 1/2 · m · v²

Donde:

• E_c: energía cinética (J)
• m: masa (kg)
• v: velocidad (m/s)

Al aplicar un trabajo sobre un cuerpo que se encuentra en movimiento, este puede aumentar o disminuir su velocidad y, por lo tanto, el trabajo realizado por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo es igual a la variación de la energía cinética.

W = ΔE_c = E_c2 – E_c1

4.2. Energía Potencial

La ENERGÍA POTENCIAL (E_p) es la energía que posee un cuerpo debido a la posición que ocupa.

4.2.1. Energía Potencial Gravitatoria

La ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA (E_p) es la energía que poseen los cuerpos por el hecho de hallarse a cierta altura sobre la superficie de la Tierra.

Depende de la masa del cuerpo, de la altura sobre un determinado nivel de referencia y de la gravedad.

Se calcula mediante la siguiente expresión:

E_p = m · g · h

Donde:

• E_p: energía potencial (J)
• m: masa (kg)
• g: gravedad (9,8 m/s²)
• h: altura (m)

Ejemplo: Un cuerpo de 25 kg de masa se eleva 18 m del suelo. Calcula la energía potencial que adquiere.

4.2.2. Energía Potencial Elástica

La ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA (E_pe) es la energía que posee un cuerpo elástico que se encuentra estirado o comprimido.

Depende de la constante elástica del cuerpo y de la longitud estirada o comprimida.

Se calcula mediante la siguiente expresión:

E_pe = 1/2 · k · x²

Donde:

• E_pe: energía potencial elástica (J)
• k: constante elástica (N/m)
• x: deformación (m)

5. Principio de Conservación de la Energía Mecánica

La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial.

E_m = E_c + E_p

Vamos a estudiar cómo se transforma la energía mecánica.

Cuando el esquiador está en el punto A, está en reposo y su altura es máxima. En este caso, su energía mecánica es igual a la energía potencial porque no posee energía cinética al estar parado.

A medida que el esquiador desciende, en ausencia de rozamiento, su energía potencial se va transformando en energía cinética, ya que disminuye la altura y adquiere velocidad.

Cuando llega a la superficie horizontal, en el punto B, la energía potencial es nula y la energía cinética alcanza su valor máximo, igual a la energía mecánica del cuerpo.

Por lo tanto, la energía potencial en el punto A se ha transformado íntegramente en energía cinética en el punto B, de modo que la energía mecánica se ha mantenido constante en todo el proceso.

Esta conclusión constituye el PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA: la suma de la energía cinética y potencial, es decir, la energía mecánica, permanece siempre constante en cualquier punto de la trayectoria si no actúan fuerzas no conservativas (como el rozamiento).

6. Principio General de Conservación de la Energía Total

La energía cinética se transforma en energía potencial, y la potencial en cinética, pero… ¿esto ocurre indefinidamente?

Dejamos caer una canica desde el borde de un cuenco de superficie muy pulida.

La energía potencial que tiene la canica cuando está en el borde del cuenco se transforma en energía cinética mientras se desliza y pasa por el fondo del mismo. Esta última se transforma, de nuevo, en potencial cuando la canica asciende hasta el borde. La experiencia nos dice que estas transformaciones no son indefinidas sino que, finalmente, la canica se detendrá en el fondo del cuenco.

Esto es debido a que existe una fuerza que no hemos tenido en cuenta, la fuerza de rozamiento. El trabajo que realiza esta fuerza siempre es negativo. Así, si existen fuerzas de rozamiento, la energía mecánica disminuye.

Por lo tanto, el trabajo de las fuerzas de rozamiento es igual a la variación de la energía mecánica que experimenta el sistema:

W_Fr = ΔE_m = E_m2 – E_m1

Se puede enunciar el PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA TOTAL como: la energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma, es decir, en todos los procesos existe intercambio de energía, pero la energía total se mantiene constante.

Etiquetas: Energía, física, potencia, trabajo