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Energía y TrabajoEnergía y Trabajo
Física 2º bachillerato
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ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJOENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO
La energía es una cualidad de los cuerpos que permite que se puedan producir cambios en ellos mismos y en otros
Formas de presentarse la energía:
La energía se presenta en formas diversas y se puede transformar de una en otra
La energía se conserva en los cambios, aunque se degrada al pasar de formas más útiles a menos útiles
Energía química: la energía de los alimentos y de la gasolina Energía eléctrica: como la suministrada por la batería de un coche
Energía de movimiento debida a la velocidad del móvil
Energía de posición debida a la altura sobre el suelo en la que se encuentra el móvil
Energía luminosa como aquella que radia una bombilla
Otras (como la calorífica, eólica, térmica, atómica, ...)
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1º Siempre está relacionada con procesos de transformación. La Naturaleza siempre está cambiando: cambios de posición, de velocidad, de estado físico ....Todo cambio va acompañado de algo, que nosotros llamamos energía. La Energía es una propiedad de los cuerpos que permite que estos se transformen o que produzcan transformaciones en otros cuerpos. La energía es la capacidad de realizar trabajo.
La Energía es un concepto abstracto, pero se le puede describir ya que presenta una serie de rasgos básicos :
2º En un sistema aislado siempre se conserva; es decir, la energía que existe en el universo es siempre la misma.Esto constituye lo que se denomina Principio de Conservación de la Energía .Los cambios que sufren los sistemas materiales llevan asociados, precisamente, transformaciones de una forma de energía en otra. La energía ni se crea ni se destruye sólo se transforma.
3º Su caracter degradable; no se conserva su calidad.La experiencia demuestra que conforme la energía va siendo utilizada para promover cambios en el materia va perdiendo capacidad para ser empleada nuevamente. La energía térmica está asociada con el movimiento de agitación de las moléculas, es decir es una energía muy dispersa, y debido a ello su calidad es inferior a la de otras ( es imposible transformarla por completo en trabajo).Todas las transformaciones energéticas asociadas a los cambios en los cuerpos terminan antes o después en energía térmica. Este proceso de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la energía.
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Energía cinética
Energía potencial
Energía mecánica
ENERGÍA CINÉTICAENERGÍA CINÉTICA
Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado en movimiento
Es directamente proporcional al producto de la masa del cuerpo por el cuadrado de su velocidad.
Todo cuerpo en movimiento tiene capacidad de realizar un trabajo, el cual se pone de manifiesto cuando el objeto se detiene bruscamente (estrellándose por ejemplo).
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vm21E 2
c
La bala tiene mucha energía cinética por salir con velocidad muy elevada
El tren tiene mucha energía cinética por tener una gran masa
Energía potencialEnergía potencial
Ep = m g h
h1
m1
h2
m2
Si m1 = m2 y h2 h1 EpEp 12
Es la energía que adquiere un cuerpo al alejarse del equilibrio
Energía potencial gravitatoria: energía debida a la posición que ocupan los cuerpos respecto al centro de la Tierra.
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Un muelle estirado tiene energía almacenada, llamada energía potencial elástica, capaz de realizar un trabajo para recuperar su forma inicial
Un combustible, posee energía potencial química capaz de liberar calor
Un condensador cargado almacena energía potencial eléctrica capaz de encender una lámpara
Hay otras clases de energía potencial, como por ejemplo:
La energía potencial es la energía que adquiere un sistema cuando ocupa diferentes POSICIONES respecto a su posición de equilibrio.
La energía cinética es la energía que adquiere un cuerpo al moverse, por el hecho de llevar cierta VELOCIDAD.
Se llama energía mecánica de un cuerpo a la suma de su energía cinética y potencial E= Ec+Ep
La energía potencial es la energía que adquiere un sistema cuando ocupa diferentes POSICIONES respecto a su posición de equilibrio.
La energía cinética es la energía que adquiere un cuerpo al moverse, por el hecho de llevar cierta VELOCIDAD.
Se llama energía mecánica de un cuerpo a la suma de su energía cinética y potencial E= Ec+Ep
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-Una fuerza es conservativa cuando su trabajo no depende del camino sino únicamente de las posiciones inicial y final .Por lo tanto el trabajo que realiza en un camino cerrado es cero.
-Una fuerza es conservativa cuando su trabajo no depende del camino sino únicamente de las posiciones inicial y final .Por lo tanto el trabajo que realiza en un camino cerrado es cero.
Son fuerzas que tienden a llevar al cuerpo hacia su posición de equilibrio.
Si se realiza un trabajo contra una fuerza conservativa dicha fuerza devuelve integramente el trabajo realizado cuándo se la deja actuar libremente.
A toda fuerza conservativa se le puede asignar una función escalar denominada energía potencial de modo que : W =Ep(inicial) – Ep(final)
No es posible hablar de Energía Potencial si la fuerza que actúa no es conservativa.
Cuándo sobre un cuerpo actúan fuerzas conservativas la energía mecánica total, suma de energía cinética y de energía potencial, se mantiene constante durante el movimiento.
Desde el punto de vista físico la fuerzas conservativas son realmente fuerzas conservadoras, fuerzas que conservan la energía mecánica total
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EL TRABAJOEL TRABAJO
A
B
rB
rA
F
F
r
X
Y
O
Cuando una fuerza constante aplicada sobre un cuerpo, lo mueve desde el punto A a otro B, se denomina trabajo realizado por la fuerza sobre el cuerpo, al producto:
F
cosrFW
Según sea el ángulo formado entre la fuerza aplicada y el vector desplazamiento:
Si = 0º cos 0º = 1 el trabajo realizado es máximo
Si 0º 90º W 0 es el llamado trabajo motor
Si = 90º cos 90º = 0 el trabajo realizado es nulo
Si 90º 180º W 0 es el llamado trabajo resistente
Trabajo es el producto escalar de una fuerza por el desplazamiento que produce
Trabajo es el producto escalar de una fuerza por el desplazamiento que produce
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X
F
O
Fx
W Área =
Fx.x
Una fuerza constante Fx actúa en la dirección del eje X sobre un cuerpo y lo desplaza en esa misma dirección: x = xf x0
Al representar Fx en función de x, el área comprendida será Fx x, que coincide numéricamente con el trabajo realizado por la fuerza
Este resultado es válido aunque la fuerza no sea constante siempre que el área sea fácil de sacar de la gráfica.
xxo x1
La anterior definición puede generalizarse al caso de que la fuerza varíe de un punto a otro a lo largo del desplazamiento. En este caso consideraremos desplazamientos diferenciales, tan pequeños que en cada uno de ellos podamos considerar la fuerza como constante, de esta forma el trabajo realizado en cada uno de estos desplazamientos se calcula como el sumatorio de cada desplazamiento diferencial:
rdFW
.
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TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVASTEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS
x0 x1x
v0
F
Fvf
Y
X
W = Fx x cos 0 = Fx x
Fx = m ax W = m ax x xa2vv x
22f 0
W = Ec
EcEcvm21vm
21
2vv
mW 000f
22f
22f
El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo se emplea en variar la energía cinética del mismo
El trabajo realizado por Fx cuando el cuerpo experimenta un desplazamiento x es:
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TRABAJO Y ENERGÍA POTENCIALTRABAJO Y ENERGÍA POTENCIAL
y1
y2
x
F
P
v = cte m
Se quiere elevar a v = cte un objeto de masa m situado sobre una mesa de altura y1 hasta una estantería de altura y2
Debemos realizar una fuerza hacia arriba igual al peso m g, desplazándolo una distancia y
El trabajo realizado por la fuerza será:
Wf = F y = m g y = m g y2 m g y1
Wf = Ep2 Ep1 = Ep
Como v = cte, el trabajo total será cero, luego el trabajo realizado por el peso del cuerpo será:
W = Ep El trabajo realizado por una fuerza conservativa lleva a
los cuerpos al equilibrio por lo que disminuye su energía potencial
•
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TRABAJO Y POTENCIATRABAJO Y POTENCIA
Los dos hombres elevan el mismo peso a la misma altura.
Realizan el mismo y trabajo pero en distinto tiempo
A veces interesa más conocer la rapidez con que se efectúa un trabajo que el valor del mismo
Se define potencia media como el trabajo realizado por unidad de tiempo, es decir:
tWPm
Utilizando su potencia máxima, el coche tiene que disminuir su velocidad para subir la cuesta . Cambiando a marchas cortas, se consigue aumentar su fuerza
Sea una fuerza constante que actúa sobre un cuerpo en la misma dirección que el desplazamiento que produce
F
r
El trabajo realizado es: W = F r cos 0 = F r
La potencia será: vFtrF
tWP mm
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Unidades de potencia
En el S.I. es el J/s que recibe el nombre de vatio ( W )
Otras unidades:1 kW = 1000 W
1 CV = 735 W
Unidades de trabajo
En el S.I. es el N . m que recibe el nombre de julio ( J )
En medidas eléctricas: 1 kW . h = 1000 W . 3600 s = 3 600 000 J
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Un motor eléctrico se utiliza para sacar agua de un pozo de 30 m de profundidad, a razón de 600 litros por minuto. Sabiendo que el rendimiento de la bomba es del 85% de la potencia del motor, calcular la potencia efectiva del motor en CV y la potencia teórica
El trabajo realizado por la bomba es
W = m g h = 600 . 9,8 . 30 = 176400 J
La potencia efectiva del motor es
Un rendimiento del 85% de la potencia del motor, significa que para obtener esa potencia, el motor debe consumir una potencia teórica:
W940260
400176t
WPefectiva
W = 176400 J
W9402Pefectiva
W3459P85,0
PP.PP teóricaefectivateóricateóricaefectiva
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CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICACONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
Punto 1
Punto 2
h
h1
h2
m Un objeto de masa m cae al vacío desde una
altura h . Calculamos la Ec y Ep en dos puntos 1 y 2 del recorrido
En el punto 1
)hh(g2v11
vm21Ec
2
11 Ec1 = m g (h h1)
Ep1 = m g h1
En el punto 2
)hh(g2v 22
vm21Ec
2
22 Ec2 = m g (h h2)
Ep2 = m g h2
Ec = Ec2 Ec1 = m g (h1 h2)Ep = Ep2 Ep1 = m g (h2 h1)
Ec1 + Ep1 = Ec2 + Ep2
Si las únicas fuerzas que realizan trabajo sobre un cuerpo son conservativas (como el peso o la fuerza elástica), su energía mecánica se mantiene constante
= 0V0 = 0
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DISIPACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICADISIPACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA
A pesar del muelle del saltador, también el niño acaba por detenerse. El rozamiento disipa su energía
La energía mecánica no se conserva cuando se tiene en cuenta el rozamiento
El rozamiento siempre se opone al movimiento y produce un trabajo negativo. Esto origina inevitablemente una pérdida de energía mecánica
Ec + Ep = -Wfr
Como la energía calorífica es una forma menos útil de la energía al no ser posible reconvertirla totalmente, se dice que debido al rozamiento, la energía se disipa
