Tema 8. TRABAJO y energía
1. Trabajo y Energía
Se define la energía como la propiedad de los sistemas físicos que les permite experimentar cambios o producirlos en su entorno. Se presenta en diversas formas y cambia de unas formas a otras (conservación de la energía).
Los cambios que sufre un sistema físico se miden con una nueva magnitud física: el trabajo, W. El trabajo realizado sobre un cuerpo por una fuerza F constante que actúa sobre él y lo mueve un desplazamiento ∆x, es:
La unidad de trabajo en el S.I. es el julio (J). Por lo tanto, un julio (1 J) es el trabajo realizado sobre un sistema cuando, al aplicar una fuerza de 1 N sobre este, hacemos que se desplace un metro en la dirección y el sentido en que actúa la fuerza aplicada.
En definitiva, cuando se desarrolla un trabajo, hay una variación de energía, ya sea de un valor a otro o de una forma de energía a otra.
Cuando sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, el trabajo realizado por dichas fuerzas al desplazar el cuerpo es el mismo que realizaría la resultante de todas ellas.
8.1 | Una persona arrastra una caja por el suelo durante un trayecto de 15 m tirando de él con una cuerda que forma un ángulo de 30º con la horizontal. Calcula el trabajo que realiza la persona si la fuerza con la que tira es de 250 N.
8.2 | Calcula el trabajo que realiza una persona que levanta verticalmente una carga de 10 kg desde el suelo hasta una altura de 1,5 m.
8.3 | Calcula el trabajo realizado por la fuerza de rozamiento cuando arrastras una mochila de 10 kg una distancia de 2 m sobre un suelo horizontal. El coeficiente de rozamiento entre el suelo y la mochila es 0,1.
Actividades del libro: 4-11, página 246.
2. Energía mecánica
La energía mecánica se define como la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo mecánico. Se trata de la energía que tiene un cuerpo debido a su velocidad (energía cinética, Ec) y a su posición (energía potencial, Ep):
2.1 Energía cinética
La energía cinética es la forma de energía mecánica asociada al movimiento de un cuerpo. La expresión matemática para un cuerpo de masa m que va a una velocidad v es:
2.1 Energía potencial
La energía potencial es la energía asociada a la posición de un cuerpo. Dependiendo de cuál sea la fuerza implicada existen distintas formas:
Energía potencial gravitatoria. Depende de la masa del cuerpo, m, y de su altura, h, con respecto al suelo:
Energía potencial elástica. Depende del alargamiento, ∆x, que experimente un cuerpo y de la constante, k, de recuperación:
8.4 | Calcula la energía cinética que tiene un atleta de 90 kg que mantiene una velocidad constante de 20 km/h.
8.5 | Tomando como referencia una mesa de 90 cm de altura, calcula la energía potencial gravitatoria de un bolígrafo de 40 g en los siguientes casos:
a) Sobre la mesa.
b) Cuando se encuentre en el suelo.
8.6 | En un instante dado un pájaro de 200 g vuela a 50 m del suelo con una velocidad de 54 km/h. Calcula las energías cinética, potencial gravitatoria y mecánica del pájaro en ese momento.
Actividades del libro: 30, pág. 239; 34, pág. 240; 29-31, 38ab, pág. 247.
3. Conservación de la energía mecánica
El principio de conservación de la energía mecánica dice que la energía mecánica de un sistema permanece constante:
8.7 | Se deja caer un objeto de 2 kg desde 100 m de altura. Calcula las energías cinética, potencial y mecánica inicial, al llegar al suelo y a 50 m de altura.
Actividades del libro: 52, pág. 249.