UN POCO DE TEORÍA...

Trabajo Mecánico

Entorno y sistema

Desde un punto de vista físico, un sistema puede ser un objeto ( o partícula), varios objetos o una región del espacio. En cualquier caso, un sistema puede cambiar de tamaño y forma, cmo una pelota de tenis que se deforma al golpear contra la raqueta.

La frontera del sistema es una superficie imaginaria que puede coincidir con una superficie física, y separa al universo en dos partes: el sistema y el entorno del sistema.

Trabajo mecánico

Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esa fuerza efectua un trabajo mecánico, el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía.

En el S.I se mide en Joule y comunmente se usa otra unidad llamada caloría, para referirse al trabajo mecánico.

1 Joule = 1 Newton · 1 metro = kg m²/s²

4,18 Joule = 1 Cal

Figura IFigura 2

Importancia del ángulo en el trabajo

Como hemos visto, en la ecuación de trabajo, el último término es una función conseno aplicada a un ángulo. Este ángulo nos permitirá saber cuando el trabajo es negativo, cuando es positivo y cuando es nulo.

En el primer caso cuando el trabajo es positivo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo que va desde los 0° hasta los 89°, siendo máximo cuando la fuerza y el desplazamiento van en la misma dirección y sentido ( ángulo entre ellos 0, cos 0° =1)

En el segundo caso cuando el trabajo es negativo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo mayor a 91° hasta los 180°, siendo máximo, pero de forma negativa cuando el ángulo es 180, pues cos 180° = -1

En el tercer caso cuando el trabajo es nulo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo de 90°, por lo que el cos 90° = 0, demostrando que el trabajo es cero.

La niña de la imagen aplica sobre la carretilla una fuerza F,constante, que mantiene un ángulo θ = 60º con respecto a la horizontal. Fy y Fx son las componentes rectangulares de F. De acuerdo al planteamiento del trabajo, sólo la componente de la fuerza que es paralela al desplazamiento realiza trabajo sobre la carretilla.

Por lo general no hay sólo una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico, para ello se calcula el trabajo hecho por cada fuerza y se suma de manera de obtener el trabajo neto.

W_neto= W_P+W_N+W_FR+W_F

Potencia del Trabajo

La potencia se puede entender como la rapidez con la que se efectúa trabajo y se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. La potencia mecánica se simboliza con la letra P

P = W/Δt

También la potencia la podemos expresar en término de la velocidad, para cuando la fuerza es constante

P =F v

Las unidades para la potencia en el S.I son el Watts, el cual se define como Joule/s, de esta manera las equivalencias de otras unidades con el Watts son:

1 kW= 1000 W

1 Hp=746 W

TRABAJO Y ENERGÍA

Energía Mecánica

En el ámbito de la física, debe suministrarse energía para realizar trabajo, por lo tanto si realizamos trabajo sobre algún objeto, le hemos añadido una cantidad de energía igual al trabajo realizado. Todo lo que nos rodea es energía en distintas formas, pero la suma de todas ellas es siempre una constante. Por ahora vamos a estudiar la energía relacionada con la mecánica.

Energía Cinética

Energía Cinética: Es la energía que presenta un cuerpo en virtud de su movimiento (traslación, vibración y rotación) . Su expresión es:

donde Ec es la energía cinética, m la masa del cuerpo, v la velocidad. En el sistema internacional de medidas la energía se mide en Joule, el cual se define como:

1 Joule = N· m

Comentario: Todas las energías al igual que el trabajo se pueden medir en calorias, aunque no es típico, ni tampoco es unidad del Sistema Internacional.

1 calorías = 4,18 Joule

Deducción de la ecuación

Supongamos un cuerpo que parte del reposo y que después de recorrer un desplazamiento Δx, adquiere una velocidad v, entonces si calculamos el trabajo efectuado por esa fuerza tendremos:

Energía Potencial

Energía potencial gravitatoria: Es la energía que presenta un cuerpo en virtud de su posición. Esta energía solo está presente en campos de fuerza conservativas ( el trabajo en una trayectoria cerrada es nula y el trabajo realizado entre dos puntos es independiente de la traectoria). Su expresión es la siguiente

donde Ep es la energía potencial, m la masa y h la altura del cuerpo. Sin embargo, esta ecuación es válida sólo cuando se está cerca de la superficie de la tierra, por que en realidad la energía potencial esta fundamentada en la ley de Gravitación de Newton y tiene la siguiente forma:

Sin embargo el estudio en mayor profundidad se dará en tercero medio diferenciado.

Trabajo y Energía

Cuando tenemos un automóvil y este quiere aumentar su velocidad de 20 m/s a 40 m/s, es necesario aplicar una fuerza para ello, entonces decimos que esa fuerza realiza un trabajo mecánico, por lo que la energía cinética del cuerpo varía.

Trabajo y Energía Potencial

Conservación de la energía mecánica

Aplicación

Animación Flash que muestra la conservación de la energía

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