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TRABAJO, POTENCIA y ENERGÍA.

TRABAJO

En física el trabajo es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza. Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento. Las unidades de trabajo son las mismas que las de energía. Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad, dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta su energía potencial. También se realiza trabajo cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo, como ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores. La fuerza puede no ser mecánica, como ocurre en el levantamiento de un cuerpo o en la aceleración de un avión de reacción; también puede ser una fuerza electrostática, electrodinámica o de tensión superficial (véase Electricidad). Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo necesario.

Donde el trabajo es igual a la fuerza realizada por la distancia.

W = f . d.

Pero esta fórmula la podemos aplicar solamente cuando la fuerza ejercida se encuentra en las ejes de la X. pero cuando se encuentra una fuerza orientada o con un ángulo de inclinación basta con descomponerlos. O tal vez utilizando la siguiente formula:

 EJERCICIO

 Una persona arrastra un cuerpo sobre una superficie horizontal ejerciendo sobre el una fuerza de 10N sabiendo que el cuerpo que desplaza de A a B.

ü  ¿Cuál es el valor del ángulo entre la fuerza I y el desplazamiento del cuerpo?

ü  ¿Cuál fue el trabajo realizado por una persona?

                                        

                     

                                                           

  

ENERGÍA

Capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La radiación electromagnética posee energía que depende de su frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta energía se comunica a la materia cuando absorbe radiación y se recibe de la materia cuando emite radiación. La energía asociada al movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición es la energía potencial. Por ejemplo, un péndulo que oscila tiene una energía potencial máxima en los extremos de su recorrido; en todas las posiciones intermedias tiene energía cinética y potencial en proporciones diversas. La energía se manifiesta en varias formas, entre ellas la energía mecánica, térmica, química, eléctrica, radiante o atómica. Todas las formas de energía pueden convertirse en otras formas mediante los procesos adecuados. En el proceso de transformación puede perderse o ganarse una forma de energía, pero la suma total permanece constante.

Un peso suspendido de una cuerda tiene energía potencial debido a su posición, puesto que puede realizar trabajo al caer. Una batería eléctrica tiene energía potencial en forma química. Un trozo de magnesio también tiene energía potencial en forma química, que se transforma en calor y luz si se inflama. Al disparar un fusil, la energía potencial de la pólvora se transforma en la energía cinética del proyectil. La energía cinética del rotor de una dinamo o alternador se convierte en energía eléctrica mediante la inducción electromagnética. Esta energía eléctrica puede a su vez almacenarse como energía potencial de las cargas eléctricas en un condensador o una batería, disiparse en forma de calor o emplearse para realizar trabajo en un dispositivo eléctrico. Todas las formas de energía tienden a transformarse en calor, que es la forma más degradada de la energía. En los dispositivos mecánicos la energía no empleada para realizar trabajo útil se disipa como calor de rozamiento, y las pérdidas de los circuitos eléctricos se producen fundamentalmente en forma de calor.

Las observaciones empíricas del siglo XIX llevaron a la conclusión de que aunque la energía puede transformarse no se puede crear ni destruir. Este concepto, conocido como principio de conservación de la energía, constituye uno de los principios básicos de la mecánica clásica. Al igual que el principio de conservación de la materia, sólo se cumple en fenómenos que implican velocidades bajas en comparación con la velocidad de la luz. Cuando las velocidades se empiezan a aproximar a la de la luz, como ocurre en las reacciones nucleares, la materia puede transformarse en energía y viceversa. En la física moderna se unifican ambos conceptos, la conservación de la energía y de la masa.

Tipos de energía.

Tenemos:

Energía cinética y energía potencial.

Su fórmula:

Ec = ½ m.v                                                        

Al respecto, si un cuerpo realiza su energía tiende a disminuir en cantidad igual al trabajo realizado. En cambio si el cuerpo efectúa un trabajo, su energía tiende a aumentar en cantidad subministrada, por consiguiente las unidades empleadas para medir la energía son los mismo que utilizamos para medir el trabajo

ENERGIA CINETICA

ENERGIA CINETICA.- Es la energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación

E = (1/2)mv²

donde m es la masa del objeto y v² la velocidad del mismo elevada al cuadrado. El valor de E también puede derivarse de la ecuación

E = (ma)d

donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, y entre los conceptos de fuerza, distancia, aceleración y energía, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer.

Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al objeto. La energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en energía cinética.

En pocas palabras la energía cinética se obtiene calculando el trabajo que debe hacerse sobre un cuerpo que parte del reposo para que adquiera la velocidad V, sea F la fuerza aplicada, del espacio recorrido por el cuerpo y a su aceleración, el trabajo realizado por la fuerza es:

Ec= F.d

Ec= m.a.d

Ec= ½ m.V²      fórmula de la energía

ENERGIA POTENCIAL

ENERGIA POTENCIAL.- energía almacenada que posee un sistema como resultado de las posiciones relativas de sus componentes. Por ejemplo, si se mantiene una pelota a una cierta distancia del suelo, el sistema formado por la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; si se eleva más la pelota, la energía potencial del sistema aumenta. Otros ejemplos de sistemas con energía potencial son una cinta elástica estirada o dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los polos iguales.

Para proporcionar energía potencial a un sistema es necesario realizar un trabajo. Se requiere esfuerzo para levantar una pelota del suelo, estirar una cinta elástica o juntar dos imanes por sus polos iguales. De hecho, la cantidad de energía potencial que posee un sistema es igual al trabajo realizado sobre el sistema para situarlo en cierta configuración. La energía potencial también puede transformarse en otras formas de energía. Por ejemplo, cuando se suelta una pelota situada a una cierta altura, la energía potencial se transforma en energía cinética.

La energía potencial se manifiesta de diferentes formas. Por ejemplo, los objetos eléctricamente cargados tienen energía potencial como resultado de su posición en un campo eléctrico. Un explosivo tiene energía potencial química que se transforma en calor, luz y energía cinética al ser detonado. Los núcleos de los átomos tienen una energía potencial que se transforma en otras formas de energía en las centrales nucleares

En pocas palabras es la aptitud que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de posiciono configuración a causa de la fuerza que actúa sobre el mismo.

Es la misma energía potencial que tiene un cuerpo pero que se convierte en cinética cuando el cuerpo se pone en movimiento.                   

Ep= m.g.h

Energía potencial de una bola

Una bola colocada en lo alto de un montículo (posición 1) posee energía potencial. Si la bola desciende por la pendiente, adquiere cierta velocidad v (posición 2)). La energía potencial de la bola va disminuyendo al perder altura y se va transformando en energía cinética. En la posición 3, toda la energía potencial de la bola se ha convertido en cinética.

ENERGIA TOTAL O FINAL.- Una variante para calcular el trabajo la tenemos cuando conocemos la energía cinética final y conocemos la energía cinética inicial utilizando el teorema de trabajo- energía Un cuerpo puede poseer a la vez energía cinética y energía potencial. La energía total de un cuerpo es la suma de todas las formas de energía que posee. En el caso de un cuerpo de masa m que se mueve con velocidad v a la altura h, como avión, su energía total es:

Et= Ec + Ep

EJERCICIOS DE APLICACIÓN:

Un cuerpo de 5 kg de peso cae libremente desde una altura de 3m. Calcular la energía cinética del cuerpo en el momento de llegar al suelo y demuestre que es igual a la energía potencial del mismo antes de caer

Datos:

masa = 5 kg                          V₂= Vo^{2 +} 2ad

altura = 3 m                V₂= 2( 9,8 m/seg²) 3 m

Ec     = ?                     V₂= 58,² m²/seg

Ep     = ?

Energía cinética                                                Energía potencial

Ec = ½ m.v²                                                                                       Ep = m.g.h

Ec = ½ ( 5 )( 58,8 m²/s² )                                      Ep = 5 kg. 9,² m/s²

Ec = 147 J                                                            Ep = 147 J

Calcular la energía cinética en Joules de una bala de rifle de 8g, que lleva una velocidad de 500 m/s

Datos:

m= 8 s                                                            Energía cinética

v= 500 m/s                            Ec= ½ m.v²

Ec = ?                                   Ec= ½ ( 0,008 kg )( 500 m/s)²

                                                                  Ec= ½ ( 0,008 kg )( 25000 m²/s²⁾

                                             Ec= 1000 J

8g.  = 0,008 kg

Un cuerpo cae en 5s partiendo del reposo ¿Cuál será su energía cinética a llegar al llegar al suelo, se tiene una masa de 0,01 kg ?

Datos:

                               Energía cinética

m= 0,001 kg           Vf = Vo * g.t                                     Ec= ½ m.v²

t = 5 s                     Vf = 9,8 m/s² * 5 s                            Ec= ½ ( 0,01 kg )( 49 m/s)²

                                Vf = 49 m/s                                          Ec = ( 0,001 kg )* ( 2401 m²/s² ) / 2

                             Ec= 2401/2 J

                         Ec= 1200 J

Desde un avión cuya velocidad es de 270 km/h se deja caer una bomba de 10 kg. Si el avión se encuentra a una altura de 1000 m. Calcular:

a)      Su energía cinética

b)      Su energía potencial inicial

c)       Su energía total

d)      La velocidad con la que llegara al suelo

                                                                     

Datos:

Vo= 270 km/h   75 m/s                                                                  Energía cinética                                                

 m = 10 kg                                                                 Ec = ½ m.v²

 h = 100 m                                                                Ec = ½ 10kg (75 m/s )²

                                                                                   Ec = 28125 J

Velocidad final

 Vf² = Vo² + 2gh

 Vf² = (75 m/s )² ´+ 2( 9,8 m/s )² + ( 1000m )

 Vf = ²/s²

 Vf =  m²/s²

 Vf = 158, 82 m/s

        Energía potencial                                                  Energia total

 Ep = m.g.h                                                              Et = Ec + Ep

 Ep = (10 kg ) ( 9,8 m/s² ) ( 100h )                           Et =( 28125 J )+( 9800 J )

 Ep =9800 J                                                             Et = 126125 J

POTENCIA

Potencia (física), el trabajo, o transferencia de energía, realizado por unidad de tiempo. El trabajo es igual a la fuerza aplicada para mover un objeto multiplicada por la distancia a la que el objeto se desplaza en la dirección de la fuerza. La potencia mide la rapidez con que se realiza ese trabajo. En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo del cual se efectúa dicho trabajo.

El concepto de potencia no se aplica exclusivamente a situaciones en las que se desplazan objetos mecánicamente. También resulta útil, por ejemplo, en electricidad. Imaginemos un circuito eléctrico con una resistencia. Hay que realizar una determinada cantidad de trabajo para mover las cargas eléctricas a través de la resistencia. Para moverlas más rápidamente —en otras palabras, para aumentar la corriente que fluye por la resistencia— se necesita más potencia.

La potencia siempre se expresa en unidades de energía divididas entre unidades de tiempo. La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 julio de trabajo por segundo. Una unidad de potencia tradicional es el caballo de vapor (CV), que equivale aproximadamente a 746 vatios.

En pocas palabras es aquella magnitud escalar que nos indica la rapidez con la que se puede realizar un trabajo.

MOVIMIENTOS UNIDIMENSIONALES

Es aquel en el que el móvil está obligado a desplazarse siguiendo una línea determinada

1.       Movimiento Horizontal:

Es aquel en el que el móvil se desplaza en línea recta en sentido horizontal, a lo largo del eje x. Ejemplos de este movimiento pueden ser:

• Vehículos desplegándose a velocidad constante.
• Carros, trenes, etc. acelerado.

Carros, trenes, etc. frenado

2.       Movimiento Vertical:

Es aquel en el que el móvil se desplaza en línea recta en sentido vertical, a lo largo del eje y. Ejemplos de este movimiento pueden ser:

• Globo Aerostático.
• Paracaídas.

CONSERVACION DE ENERGIA

FUERZAS CONSERVATIVAS.

Fuerza conservativa, fuerza que tiene la propiedad de devolver el trabajo que se realiza para vencerla. Una fuerza es conservativa cuando el trabajo realizado por ella a lo largo de cualquier trayectoria cerrada, volviendo a su posición inicial, es nulo.

El trabajo que realiza una fuerza conservativa cuando el cuerpo sobre el que actúa se traslada de una posición a otra es independiente de la trayectoria seguida, sólo es función de las posiciones inicial y final. Por tanto, el trabajo que realiza una fuerza conservativa cuando el cuerpo se traslada desde un punto A hasta otro B se puede escribir como la diferencia de una magnitud propia de cada punto. Esta magnitud se llama energía potencial asociada a la fuerza conservativa considerada.

Las fuerzas constantes y las fuerzas centrales son fuerzas conservativas. Una fuerza es constante cuando posee el mismo valor en todos los puntos del espacio y es independiente del tiempo. Una fuerza es central cuando es siempre radial respecto a un punto llamado centro de fuerzas, y además su módulo es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a dicho punto. Las fuerzas elásticas, eléctricas y gravitatorias son fuerzas conservativas; la fuerza de rozamiento no es conservativa.

APLICACIONES DEL PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA.

SOLAR ELECTRICA Y EOLICA

Leyes de conservación, en física, leyes que afirman que en un sistema cerrado que experimenta un proceso físico, determinadas cantidades medibles permanecen constantes. Muchos consideran las leyes de conservación como las leyes físicas más importantes. En el siglo XVIII, el químico francés Antoine Lavoisier fue el primero en formular una de estas leyes, la ley de conservación de la materia o masa. Esta ley afirmaba que en una reacción química, la masa total de los reactivos, más los productos de la reacción, permanece constante. El principio se expresó posteriormente en una forma más general, que afirma que la cantidad total de materia en un sistema cerrado permanece constante.

Hacia principios del siglo XIX, los científicos ya se habían dado cuenta que la energía aparece bajo distintas formas, como energía cinética, energía potencial o energía térmica, y sabían que puede convertirse de una forma a otra. Como consecuencia de estas observaciones, los científicos alemanes Hermann von Helmholtz y Julius Robert von Mayer y el físico británico James Prescott Joule formularon la ley de conservación de la energía. Esta ley, que afirma que la suma de las energías cinética, potencial y térmica en un sistema cerrado permanece constante, se conoce en la actualidad como primer principio de la termodinámica. En la mecánica clásica, las leyes fundamentales son las de conservación del momento lineal y del momento angular. Otra ley de conservación importante es la ley de conservación de la carga eléctrica.

En 1905, Albert Einstein demostró en su teoría de la relatividad especial que la masa y la energía son equivalentes. Como consecuencia, las leyes de conservación de la masa y de la energía se formularon de modo más general como ley de conservación de la energía y masa totales. La ley de conservación de la masa puede considerarse válida en las reacciones químicas (donde los cambios de masa correspondientes a la energía producida o absorbida no son medibles), pero no se cumple en las reacciones nucleares, donde la cantidad de materia que se convierte en energía es mucho mayor.

La existencia de leyes de conservación está relacionada con simetrías de la naturaleza. Esta relación también existe en el ámbito de las partículas elementales. Así ocurre, por ejemplo, en la conservación del número de bariones en las interacciones de partículas y en la conservación de la carga eléctrica.

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