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Trabajo y Energía

Trabajo y energía

INTRODUCCION

Muchas veces suele llamarse trabajo a ciertas actividades que, desde el punto de vista de la física, no pueden ser clasificadas como tal. Para muchos es natural que se utilicen ciertas palabras propias de un lenguaje coloquial para señalar situaciones cotidianas, pero que en la física tienen un significado distinto.

Por ejemplo, cuando una persona no tiene el suficiente dinero como para comer completo, se dice que está pasando "trabajo". Esta situación puede ser difícil de sobrellevar, pero, desde el punto de vista de la física, no representa ningún trabajo.

Otro ejemplo, en el que se dice que hay trabajo, ocurre cuando un chofer de taxi dice que está trabajando. Puede ser que el taxista esté ganando dinero, pero desde el punto de vista de la física no está realizando trabajo.

Para que exista trabajo, desde el punto de vista de la física, es necesario tomar en cuenta dos factores. La fuerza que se aplica sobre el cuerpo que se considera, y la distancia recorrida por efecto de la fuerza que se aplica. Sin embargo, también debe considerarse un detalle, el desplazamiento que se produce debe tener la misma dirección de la fuerza aplicada.

Por otra parte, es posible definir la energía, de una manera sencilla, como la capacidad para realizar un trabajo. Existen muchas formas de energía, como la energía química, la energía solar, la energía nuclear, etc.

A continuación, vamos a tratar principalmente acerca de la energía cinética, la cual conceptualizaremos como la energía que acumulan los cuerpos debido a la velocidad que tienen en un momento dado, y también trataremos acerca de la energía potencial, la cual definiremos como la energía que posee un cuerpo debido a su posición.

Por último, haremos uso práctico de ciertas ecuaciones que permiten calcular cuantitativamente el valor de la energía potencial y de la energía cinética. También, utilizaremos ciertas ecuaciones que nos permitirán observar como la energía cinética se convierte en energía potencial, y viceversa, para ciertos fenómenos que estudiaremos.

Nivel de Referencia

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-Aparte de la energía potencial gravitacional ¿qué otras formas de energía potencial puedes mencionar?

P.-Además de la energía potencial gravitacional, la cual aumenta a medida que el cuerpo considerado se encuentra a mayor altura, podemos mencionar la energía potencial elástica, la cual se encuentra presente al deformar objetos que luego tenderán a tomar su forma original; la energía potencial química, la cual se encuentra almacenada en ciertas sustancias como el kerosene, la gasolina y el gas-oil, entre otros; y la energía potencial acumulada en alimentos

P.-Explica el tema del nivel de referencia en el caso de la energía potencial gravitatoria

P.-En el caso de la energía potencial gravitatoria, un cuerpo acumulará mayor energía potencial gravitatoria mientras más alto esté con respecto a cierto nivel de referencia. El nivel de referencia que suele tomarse es el suelo (la superficie terrestre). De esa manera, un cuerpo que se encuentre a 100m de la superficie terrestre poseerá mayor energía potencial que uno que se encuentra a 50m de la misma superficie.

P.-Explica en términos de la energía, por qué una gomera que se estira más que otra, puede lanzar una piedra más lejos

P.-En el caso de las gomeras, al estirar una más que la otra, una acumulará mayor energía potencial elástica que la otra. De esa manera, al soltar la gomera que se estiró más, la energía potencial elástica se convertirá en energía cinética, la que terminará haciendo que llegue la piedra más lejos.

Energía Cinética y Energía Potencial

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-¿Cuál es la relación que permite obtener la energía cinética traslacional de un objeto?

R.-La relación que permite obtener la energía cinética traslacional es K=1/2mv2, donde m es la masa del cuerpo en movimiento y v es la velocidad a la que el cuerpo en movimiento se traslada.

P.-¿Qué es energía potencial?

R.-La energía potencial de un cuerpo se define como la energía que es capaz de generar un trabajo como consecuencia de la posición del mismo. Este concepto indica que cuando un cuerpo se mueve con relación a cierto nivel de referencia puede acumular energía. Un caso típico es la energía potencial gravitacional la cual se evidencia al levantar un cuerpo a cierta altura, si lo soltamos, la energía potencial gravitacional se liberará convirtiéndose en energía cinética al caer.

P.-¿En qué unidades se expresan las energías cinética y potencial?

R.-Tanto la energía potencial como la energía cinética tienen la misma unidad que es el joule.

P.-¿Qué tipo de energía posee la gasolina?¿Cómo podrías relacionarla con el movimiento de un vehículo que la utiliza?

R.-La gasolina es un cuerpo que posee energía potencial química.
La energía potencial química puede ser asociada al movimiento de un vehículo al notar que la energía potencial química es transformada en energía cinética a través del proceso de combustión interna. Por supuesto, esto se traduce en el movimiento del automóvil.

P.-Explica cómo el trabajo que se efectúa sobre un objeto se convierte en energía potencial gravitacional

R.-Si desplazamos un cuerpo en contra de la dirección del campo gravitacional estaremos efectuando trabajo. Es decir, T=F·d. En esa ecuación "F" es la fuerza necesaria para subir el cuerpo y "d" es la distancia a la que se subió el objeto. Para hacerlo más sencillo debemos recordar que F=m·a, donde a es la aceleración de gravedad "g". Es decir F=m·g. Sustituyendo esa expresión en la ecuación de trabajo tendremos T=F·d, T=(m·g)d, T=m·g·d. Pero la distancia "d" vendrá a ser la altura "h", luego T=m·g·h.

Energía Cinética y Conservación de la Energía

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-¿Es buena la energía nuclear?

R.-Aunque la energía nuclear produce energía capaz de beneficiar a los seres humanos, un subproducto de la producción de la misma son los desechos nucleares, los cuales son sumamente tóxicos. Existiendo formas de energía limpias como la hidro-electricidad, la energía nuclear es un recurso que sólo debería considerarse en casos extremos (y aún así debería reconsiderarse su uso al menos tres veces).

P.-¿Cómo enunció Huygens la ley de conservación de la energía?

R.-Huygens observó el comportamiento de las bolas durante un juego de billar, de allí estableció que "la suma de la vis viva de las bolas antes y después del impacto permanecía constante"

P.-¿Cómo se expresa actualmente la ley de la conservación de la energía?

R.-La ley de conservación de la energía expresa que "la energía no puede ser creada ni destruida. Puede transformarse de una forma a otra, pero la cantidad total de energía siempre permanece constante"

P.-¿Qué es energía cinética?

R.-La energía cinética es la energía que se encuentra asociada con el movimiento. Todos los cuerpos que se mueven poseen energía cinética. La energía cinética tiene como unidad el joule.

P.-¿Por qué se utiliza el término energía traslacional?¿Hay algún otro tipo de energía cinética?

R.-
Al hablar del movimiento de un cuerpo, es obvio que puede darse el traslado de este cuerpo. Es por ello que a la energía cinética implícita en el traslado de un cuerpo se le denomina energía traslacional.

Existen algunos otros tipos de energía cinética como la energía vibracional, ésta involucra movimiento vibratorio sin que el cuerpo se desplace; la energía radiante, la cual se genera al moverse los electrones dentro de los átomos a mayor velocidad; la energía térmica o calórica, la cual se encuentra íntimamente relacionada con el movimiento aleatorio de las moléculas y, por último, la energía rotacional, la cual se encuentra relacionada con los cuerpos que rotan.

Energía Mecánica y Energía Potencial

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-¿Qué es energía mecánica?

R.-Entre los tipos de energía existentes tenemos a la energía cinética, la cual se relaciona con la velocidad de un cuerpo. Por el otro lado, tenemos a la energía potencial, la cual se relaciona con la posición en la cual se ubica un cuerpo determinado. La energía mecánica corresponde a la suma de la energía potencial y de la energía cinética.

De esta manera es posible aseverar que, para que exista energía mecánica, es necesario que "un cuerpo esté en movimiento", o que "un cuerpo se encuentre a cierta altura", o una combinación de las dos condiciones anteriores.

P.-¿Cómo definió Carnot la energía potencial?

R.-Carnot definió la energía potencial (vis viva latente) como la capacidad de crear energía cinética (vis viva).

P.-Aparte de las energías cinética y potencial ¿qué otros tipos de energía puedes mencionar? Descríbelas

R.-Entre otras podemos mencionar la energía eólica que está relacionada con la energía que puede obtenerse por medio de los vientos. También es muy importante la energía eléctrica la cual se encuentra asociada con el movimiento de los electrones. La energía calórica cuya presencia se manifiesta en el calentamiento de los materiales. Últimamente, se habla mucho de la energía nuclear la cual surge al fisionar cuidadosamente el núcleo de los átomos (es muy cuestionada por el tema de los residuos tóxicos que produce). Además existen otras formas de energía como la energía química y la que procede de la luz.

P.-¿Por qué se considera a la luz como energía vital?

R.-La vida, tal como la conocemos, toma su energía de la luz. Las plantas son capaces de absorber la energía de la luz proveniente del sol y, a partir de allí, procesarla para convertirla en alimentos vegetales que forman el eslabón inicial de toda la cadena alimenticia.

Energía

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-Si un hombre de pie hala a su gato que está en el piso por una distancia de 20m, ejerciendo una fuerza de magnitud igual a 100 Newton ¿por qué el trabajo realizado no es igual a 2000 joules?

R.-Al estar el gato en el piso el hombre lo estará halando aplicando una fuerza inclinada hacia arriba, que es la dirección de la cuerda con que lo hala. El gato se moverá horizontalmente, por lo que la única fuerza que se puede tomar en cuenta al momento de calcular el trabajo realizado será la componente horizontal de la fuerza (la componente vertical de la fuerza no influye en el desplazamiento).

Por tanto, el trabajo realizado no puede ser de 2000 joules, ya que la fuerza que es realmente aplicada en la dirección del desplazamiento es mucho menor a los 100 newtons.

P.-¿Podrías mencionar como surgió el concepto de energía?¿A qué se le llama "vis viva"?

R.-
Una vez que Galileo determinó que los cuerpos caían a la misma velocidad sin importar su masa, quedó pendiente la interrogante de por qué unos cuerpos producían mayor daño al caer que otros. Para tratar de explicar este fenómeno se introdujo una nueva concepción dentro de la física a la que se le llamó energía.

"Vis viva" fue como se denominó al impacto capaz de dañar a un objeto. Como los estudios que se realizaron para concebir la "vis viva" fueron hechos a partir de un cuerpo que cae con cierta velocidad, la formulación para determinar la "vis viva" coincide con la formulación para determinar energía cinética.

P.-¿Cómo definió Thomas Young la energía?

R.-Thomas Young definió la energía como la capacidad para realizar un trabajo. En realidad, Young reemplazó el término "vis viva" por la palabra energía. 

Identificando El Trabajo

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-¿Cómo una persona puede hacer un gran esfuerzo físico al empujar un objeto que permanece inmóvil y no realizar trabajo alguno?

P.-Para que pueda haber un "trabajo" es necesario que exista un desplazamiento. De esa manera, sin importar cuanta fuerza se le aplique a un cuerpo, no podrá haber trabajo si éste no se mueve en la dirección de la fuerza aplicada.

Por ejemplo, una persona podrá intentar mover una pared y sudar mucho mientras lo hace, pero como la pared no se moverá, no estará haciendo ningún trabajo. Otro ejemplo es el caso de una chica que lleva una bandeja al caminar, aunque la bandeja se está moviendo, no se está realizando trabajo debido a que el desplazamiento no se realiza en la misma dirección de la fuerza aplicada (la dirección de la fuerza que sostiene la bandeja es hacia arriba).

P.-Un hombre que cuelga de una cuerda ¿está realizando trabajo o está pasando trabajo?

P.-Este pobre hombre que cuelga de la cuerda (esperemos que no sea por el cuello) sudará mucho por el esfuerzo que hace al tratar de sostenerse para no caer, pero no estará efectuando ningún trabajo ya que no se produce ningún desplazamiento.

P.-Una mesonera que lleva una bandeja ¿está realizando algún trabajo?

P.-En el caso de esta mesonera pudiéramos confundirnos ya que se aplica una fuerza, vertical y hacia arriba, para sostener la bandeja y además hay desplazamiento. Pero el movimiento es horizontal por lo que la bandeja no se desplaza en la dirección de la fuerza aplicada y, razón por la que no hay trabajo.

Trabajo y Sus Unidades

Preguntas frecuentes sobre Trabajo y Energía

P.-Define el concepto de trabajo

R.-El trabajo se define como el proceso a través del cual una fuerza que actúa sobre un cuerpo, produce el desplazamiento del mismo.

 

P.-Cita algunos ejemplos donde la palabra trabajo no tenga relación con el concepto que en física se tiene del mismo

R.-Aún cuando muchas personas utilizan la palabra "trabajo" para describir ciertas acciones, no necesariamente esas acciones se consideran trabajo desde el punto de vista de la física. Por ejemplo, se dice que una secretaria "trabaja", cuando en realidad lo que hace es cumplir las obligaciones que le corresponden. Otro ejemplo muy común ocurre cuando una persona se encuentra pasando una difícil situación económica, en ese tipo de casos también se suele decir que esa persona está pasando trabajo.

 

P.-Identifica y comenta sobre las cantidades que aparecen en la expresión que define el trabajo

R.-La expresión que define el trabajo es la siguiente:


T=F·d

Esa expresión indica con claridad que hay dos factores que tomar en cuenta al querer determinar el trabajo realizado. Uno es "

F

" que denota a la fuerza aplicada y que produce en el cuerpo el desplazamiento. El otro factor es "

d

" y simboliza la distancia recorrida por el cuerpo en la dirección de la fuerza aplicada.

 

La unidad fundamental de trabajo es el joule y su símbolo es "

J

". El joule es el trabajo que se realiza cuando al aplicar una fuerza de un newton sobre un cuerpo se produce un desplazamiento de un metro. Al hacer la equivalencia de unidades se da la siguiente relación:

joule=N·m

Aceleración y Caída libre

Aceleración y Caída Libre

INTRODUCCION

El movimiento rectilíneo uniforme (M.R.U.) se caracteriza por que presenta una velocidad constante. Sin embargo, en el caso del movimiento rectilíneo uniformemente variado la velocidad cambia, aunque la aceleración permanece constante en cada etapa del movimiento que se estudia.

De tal manera que, para poder resolver un problema (a través de consideraciones de M.U.V.) en el cual esté presente la aceleración, es necesario que se considere dividir el movimiento en etapas en las que la aceleración sea constante. Aunque esto debe hacerse en el caso del movimiento horizontal por su propia naturaleza, en el caso del movimiento vertical no es necesario ya que allí la aceleración que está presente es la aceleración de gravedad, la cual es constante. Sin embargo, debe recordarse que la velocidad de caída de un cuerpo puede modificarse debido a la presencia de la resistencia del aire, en el caso del movimiento vertical.

En la antigüedad se creía que todos los cuerpos caían en tiempos distintos debido al peso que tenían. Esta falsa creencia fue introducida por Aristóteles quien era muy respetado por sus contemporáneos. Hizo falta que pasarán casi dos mil años para que Galileo demostrará que las afirmaciones de Aristóteles eran erróneas. Por cierto, que sostener las revolucionarias afirmaciones de Galileo hicieron que la iglesia católica accionara a la santa inquisición cosa que casi le cuesta la vida a Galileo.

Galileo tuvo que hacer varios experimentos en los que permitía que objetos de diferentes pesos cayeran desde la misma altura por lo que pudo constatar que todos caían al mismo tiempo. La teoría de Aristóteles parecía tener razón sólo para objetos livianos y de gran volumen. Fue en ese momento que Galileo se percató de la intervención de la resistencia del aire que frenaba la caída de esos cuerpos livianos.

Hoy día sabemos que la aceleración con la que caen los cuerpos es independiente de su peso, por lo que todos los cuerpos caen al mismo tiempo si son soltados desde una misma altura.
 

Gravedad y Caída Libre (II)

Preguntas frecuentes sobre Aceleración y Caída Libre

P.-Expresa la aceleración de gravedad como un vector

R.-La gravedad es un vector con dirección vertical y sentido hacia abajo con una magnitud de 9,81m/s2.

P.-Escribe las relaciones que gobiernan la caída libre de un objeto que se deja caer con velocidad inicial nula.

R.-
Las relaciones que gobiernan la caída libre son:
y=gt2/2

vf=at

vf2=2gy

Donde
y: Es el desplazamiento vertical del cuerpo
g: Es la aceleración de gravedad
vf: Es la velocidad final del cuerpo
t: Es el tiempo transcurrido

P.-La resistencia del aire ¿aumenta o disminuye la aceleración de un objeto que cae?

R.-La resistencia del aire tiende a disminuir la aceleración de un cuerpo que cae, sin embargo, la aceleración de gravedad continuará siempre constante.

P.-Si se suelta una piedra desde determinada altura: a)¿Aumenta o disminuye su velocidad a medida que cae? b)¿Cuánto varía su velocidad cada segundo de caída?

R.-
Ya que la piedra cae con una aceleración igual a la gravedad, es obvio que que la piedra aumentará su velocidad a medida que cae.

Si asumimos que la aceleración de gravedad es de 10m/s2, la piedra al caer incrementara su velocidad 10m/s por cada segundo que pasa. Es decir, a los cinco segundos será de 50m/s y a los siete segundos será de 70 m/s.

P.-Se deja caer una piedra desde cierta altura sobre la superficie lunar ¿Cuánto variará la velocidad de la luna cada segundo de caida?

R,-Si suponemos que la gravedad de la Luna es gL entonces la velocidad que cae en la luna se incrementará gLm/s cada segundo.

P.-Si un objeto se deja caer libremente, la distancia recorrida cada segundo, ¿permanecerá igual, aumentará o disminuira?

R.-Como ya hemos establecido que al caer un objeto se incrementa su velocidad cada segundo en 10m/s, es obvio que la distancia recorrida también se incrementará cada segundo, pero respondiendo a una función parabólica.

P.-Si se lanza un objeto hacia arriba ¿cuáles serán su velocidad y aceleración en el punto más alto de su recorrido?

R.-Al lanzar un cuerpo hacia arriba, el punto más alto de su trayectoria será alcanzado precisamente en el momento que empiece a bajar. Por tanto, en ese instante la velocidad del cuerpo tendrá un valor que no puede ser otro sino cero metros sobre segundo. En el caso de la aceleración su valor siempre será cosntante y con un valor igual 10m/s2.