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Energía, Trabajo y Potencia
Profesora: Sonia Suárez Rojas
"LA MATERIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SÓLO SE TRANSFORMA".
Antonio Laurent Lavoisier.
Energía, Trabajo y Potencia
ENERGÍA
La mayor fuente de energía conocida es el Sol, del cual se deriva la mayoría de las formas de
energía.
Por ser indispensables en la vida cotidiana, en la industria y en la investigación, es necesario
aprender a utilizar la energía en forma racional para conservar el medio en condiciones óptimas.
Para estudiar los conceptos de la física es necesario tener claro su significado.
Todas las actividades humanas implican energía y transformación de energía. Así se define energía
en física como: algo que permite realizar actividades como estudiar, practicar algún deporte,
trabajar, o mover algún objeto, etcétera.
FORMAS DE ENERGÍA
Energía mecánica, existen dos formas de energía mecánica:
La energía potencial o de posición se debe a la altura a la cual se ha elevado un cuerpo. Por ejemplo,
la energía potencial de un libro será mayor si está en la parte más alta de un librero que en su parte
más baja. También al estirar una liga de hule (banda elástica) o cuando se comprime un resorte,
éstos tienen energía potencial, debida a su arreglo molecular, cuyo resultado es una propiedad
conocida como elasticidad.
La energía cinética o energía de movimiento, como su nombre lo indica, se debe al movimiento de un
cuerpo. Por ejemplo, mientras el libro cae desde la parte superior del librero se dice que la energía
es de movimiento.
Energía térmica, Se puede producir por fricción o por la combustión de una sustancia.
Energía eléctrica, algunas fuentes de energía eléctrica pueden ser: una pila, una batería o un
generador.
Energía radiante o energía electromagnética, comprende las ondas de radio y de televisión, la luz
infrarroja, la luz visible, la luz ultravioleta, los rayos X y los rayos gamma de las radiaciones
nucleares.
Energía química, proviene de la transformación de unas sustancias en otras. Los alimentos y los
combustibles son las principales fuentes de esta forma de energía.
Energía nuclear, proviene de la fisión del núcleo de los átomos de algunos elementos como el uranio
235 o de la fusión de núcleos de átomos ligeros, como hidrógeno, deuterio, helio y litio.
Cuando la energía radiante llega a la Tierra se transforma en energía térmica. Gracias a la energía
luminosa y térmica crecen las plantas, de las cuales se alimentan los animales y el hombre. El
carbón, el petróleo y el gas natural son los restos fósiles de plantas y animales; es energía que se
ha almacenado en la Tierra.
La energía térmica evapora el agua de los mares, lagos y ríos. Posteriormente el agua cae como
lluvia que corre desde los lugares altos hacia el mar. La energía potencial y cinética de las
corrientes de agua se pueden transformar en energía eléctrica.
Unas capas de aire de la atmósfera se calientan y produciendo el movimiento de las capas frías
(los vientos), cuya energía cinética se puede transformar en energía mecánica y en energía
eléctrica.
La energía se transforma de una forma a otra pero no puede ser creada ni destruida.
Esta ley fue establecida por el físico alemán Herman Von Helmholtz (1821-1894) y se conoce
como ley de conservación de la energía.
En el mapa conceptual puedes observar la relación entre la materia y la energía:
ENERGÍA POTENCIAL Y ENERGÍA CINÉTICA
La materia en ciertas condiciones tiene la capacidad de hacer trabajo. Por ejemplo:
Un cuerpo pesado y suspendido a gran altura
puede hacer trabajo sobre un pilote si se
deja caer sobre él.
Un resorte comprimido puede disparar un
proyectil.
Una caída de agua puede hacer trabajo al
mover una turbina.
El cuerpo pesado y suspendido y el resorte comprimido tienen energía de posición, en tanto que la
caída de agua tiene energía en movimiento.
Esta capacidad para hacer trabajo se llama energía.
La energía mecánica existe en dos formas: la energía de posición o energía potencial (Ep) y la
energía de movimiento o energía cinética (Ec).
Al tomar un martillo para clavar, se realiza lo siguiente:
Al elevar el martillo una distancia se efectúa un trabajo sobre el martillo.
La posición del martillo ha cambiado debido al trabajo realizado sobre él, o sea que la energía
potencial del martillo ha aumentado respecto de su posición original (posición A). Entonces:
W = m g h
W = Ep
Esta energía potencial (Ep) se transforma en energía cinética (Ec) cuando al bajar (al moverse)
el martillo golpea al clavo, haciendo trabajo sobre éste. Un cuerpo con energía cinética hace
trabajo sobre otro cuerpo cuando es detenido por éste o cuando se disminuye su velocidad.
UNIDADES DE ENERGÍA
Como la energía potencial consiste en el trabajo hecho sobre un cuerpo para levantarlo respecto a
un nivel (que se escoge como cero), entonces:
El trabajo es: W = P · h
La energía potencial es: Ep = P · h
En donde el peso se mide en newtons y la altura en metros.
Entonces: [Ep] = N · m = joule
Por otra parte, y de acuerdo con los ejemplos vistos, es posible darse cuenta que la capacidad para
realizar trabajo que tiene un cuerpo en movimiento –su energía cinética–, será mayor cuanto mayor
sea:
su masa (m)
su velocidad (v)
Se puede demostrar que la energía cinética de un cuerpo está dada por la siguiente expresión:
En donde la masa se mide en kilogramos y la velocidad en metros sobre segundo. Obsérvese que la
unidad de energía potencial y de energía cinética es igual a la unidad de trabajo.
POTENCIA
En la industria no sólo es importante que se lleve a cabo el trabajo y conocer la energía que se
utiliza, sino también el tiempo en que se puede hacer el trabajo y la rapidez con que se transforma
la energía.
La unidad de potencia en el SI es el J/s. Esta unidad se denomina watts, en honor a James Watts,
quien hizo importantes contribuciones al desarrollo industrial de su tiempo.
Si una máquina efectúa una cierta cantidad de trabajo en la mitad del tiempo que otra , la primera
tiene el doble de potencia que la segunda.
El tiempo es la esencia de la producción industrial, por tanto, ingenieros y obreros se interesan no
sólo en lo que una máquina puede hacer sino en el tiempo en que lo va a hacer.
UNIDADES DE POTENCIA
El watt es una unidad muy pequeña que corresponde al trabajo de 1 joule realizado en 1 segundo,
por lo que en muchas ocasiones se usa el kilowatt.
103 watt = 1 kilowatt
Existe otra unidad que generalmente se utiliza para indicar la potencia de los motores. Esta unidad
se denomina caballo de fuerza o de potencia hp (horse power).
1 hp = 745.7 watt
Sabiendo que las fórmulas de la potencia son:
Supón que se traslada un mueble del modo que se ilustra en la figura.
Si la fuerza F que aplicas es 200 newton y el desplazamiento (d) que produces en el mueble es 10 m,
entonces, el trabajo que realizas es:
T = Fd = (200 N)×(10 m) = 2.000 joule.
Ahora bien, este trabajo lo puedes realizar en diferentes tiempos. Si en trasladar el mueble te
demoras 10 s, entonces la potencia que desarrollas es
En cambio, si lo haces lentamente y demorándote 40 s, la potencia que desarrollarás será de 50
watt, aunque el trabajo seguirá siendo el mismo.
ACTIVIDADES PARA EL ALUMNO
I- Responde las siguientes preguntas, seleccionando la opción correcta en cada caso.
1. ¿En cuál de las siguientes situaciones el trabajo realizado sobre el cuerpo es nulo?
A) Cuando el cuerpo cae libremente debido a su peso.
B) Cuando el cuerpo es levantado verticalmente con rapidez constante.
C) Cuando la fuerza que actúa sobre el cuerpo es perpendicular a su desplazamiento.
D) Cuando la fuerza que actúa sobre el cuerpo es opuesta a su desplazamiento.
E) Cuando el cuerpo es impulsado y puesto en movimiento sobre una superficie con roce.
II. Resuelve los siguientes problemas:
1. Un cuerpo de 4 kg que se mueve horizontalmente a 2 m/s, es impulsado por una fuerza paralela al
piso que hace que su rapidez aumente hasta los 6 m/s. ¿Cuál es el valor del trabajo neto sobre el
cuerpo?
A) 8 J
B) 16 J
C) 64 J
D) 72 J
E) 128 J
2. Un ascensor de 400 kg de masa es levantado hasta una altura de 30 m con una rapidez media de
0,5 m/s. Determina la potencia desarrollada por el motor:
A) 200 W
B) 4000 W
C) 12000 W
D) 60000 W
E) 120000 W
3. Un carro de montaña rusa cae desde una altura de 12 metros, por una pista sin roce. Cuando se
encuentra a una altura de 7 metros, ¿con qué rapidez se mueve el carro?
A) 5 m/s
B) 6 m/s
C) 10 m/s
D) 12 m/s
E) √(240) m/s
4. Un cuerpo de 10 kg cae libremente desde una altura de 20 metros. ¿Cuál es el valor de sus
respectivas energías potencial y cinética cuando se encuentra a 8 metros de altura?
A) 2000 J y 2000 J
B) 2000 J y 800 J
C) 800 J y 1200 J
D) 1200 J y 800 J
E) 800 J y 2000 J
5. Sobre una superficie horizontal sin roce se mueve rectilíneamente un carro de juguete de 2 kg
de masa,
a 12 m/s. Si se detiene aplicando sobre él una fuerza neta horizontal de magnitud 36 N;
¿Cuánto alcanza a desplazarse el carro antes de detenerse por completo?
A) 4 m
B) 12 m
C) 24 m
D) 72 m
E) 144 m
III. Experimenta:
Objetivo: Determinar si el trabajo mecánico es proporcional a la fuerza aplicada por medio de
la deformación de una liga.
Materiales:
Un metro de estambre resistente.
Cuatro ligas.
Una cinta métrica o flexómetro.
Unas tijeras.
Cuatro revistas delgadas de la misma forma y tamaño.
Procedimiento:
1. Corte una liga por un extremo con las tijeras.
2. Amarre una revista con el estambre y amarre el extremo libre del estambre a uno de los
extremos de la liga, como se ve en la figura.
3. Mida la longitud de la liga sin estirar (L0).
4. Jale la liga por el otro extremo hasta que la revista se levante un centímetro de la
superficie de trabajo. Pida a su ayudante que mida la liga (L) y registre el dato en la hoja de
respuestas.
5. Repita el experimento con 2, 3 y 4 revistas atadas con el estambre. Utilice una liga sin
deformar en cada ocasión, ya que las usadas no se recuperan completamente y habría errores en su
determinación.
6. Calcule la longitud que la liga se estiró en cada caso, por medio de la siguiente expresión: (E =
L-L0) y anote los cuatro valores en la tabla de su hoja de respuestas.
Completa la siguiente tabla:
N°. de revistas Longitud de la liga
sin deformar (Lo)
Longitud de la liga
deformada (L) E = L-Lo
1-
2-
3-
4-
Elabora: una gráfica en la que represente el valor de E (en el eje de ordenadas) y en el otro
eje ponga el número de revistas (eje de abcisas). En este experimento, la fuerza aplicada
es directamente proporcional al cambio en la longitud E, y el trabajo mecánico depende
de la fuerza aplicada.
Responde:
¿Qué puede concluir de la gráfica sobre el trabajo mecánico que se requiere para desplazar
las revistas cierta distancia?
¿Es el trabajo mecánico directamente proporcional al número de revistas?
De ser así, ¿qué significado tiene esto?
Reflexiona:
¿Se cumplió con el propósito de este experimento? ¿Por qué?
Concluimos:
La energía cinética involucra a una montaña rusa que se desplaza a toda velocidad por la
pista durante una caída. Cuando la montaña rusa se encuentra en la cima de una caída y
no se está moviendo, el cuerpo no tiene energía cinética, pero a medida que la montaña
rusa empieza a descender, la energía cinética incrementa junto con su velocidad. La
energía cinética también puede observarse en los deportes. En béisbol, cuando el lanzador
sostiene la bola antes de lanzarla, no hay energía cinética debido a que la bola no está en
movimiento. Sin embargo, una vez que el lanzador está listo y lanza la bola, ésta gana
energía cinética para poder desplazarse desde el montículo del lanzador hasta el guante
del receptor. En el billar, un jugador le transmite energía cinética a la bola al golpearla
con el taco. A medida que la bola rueda, pierde energía cinética. Cuando la bola entra en
contacto con otra, le transmite su energía cinética, permitiendo que esta segunda bola se
acelere.
la montaña rusa, tiene su mayor energía potencial cuando se encuentra detenida en el
punto más elevado. Tiene el potencial para rodar hacia abajo, pero aún no ha comenzado a
moverse. La montaña rusa, además, demuestra energía potencial cuando está detenida,
permitiendo que los individuos ingresen o salgan de la corrida. Una lata de refresco
carbonatado también demuestra energía potencial. La lata está presurizada con gas que no
está en movimiento pero que tiene una gran cantidad de energía potencial. Cuando la lata
se abre, el gas se libera y la energía potencial se convierte en energía cinética. Al
analizar la física detrás de una represa, también puedes ver energía potencial. Una gran
cantidad de energía potencial está almacenada en el agua contenida. El agua tiene el
potencial para fluir, convirtiendo la energía potencial en energía cinética, en caso de que
la estructura de la represa se encuentre comprometida. Mientras la represa no se rompa,
sin embargo, la energía potencial estará contenida en el agua y en el concreto que
mantiene a la represa.
"LA MATERIA NO SE CREA NI SE DESTRUYE, SÓLO SE TRANSFORMA".
Antonio Laurent Lavoisier.
La energía potencial en la cima del tobogán se convierte en energía cinética cuando caen los
cuerpos.
La energía elástica cinética
El Trabajo es máximo y positivo, si la dirección y sentido de la fuerza coinciden con los
del desplazamiento.
El trabajo debido a una fuerza es nulo si la dirección del desplazamiento y de la fuerza
son perpendiculares.
El trabajo es negativo si el desplazamiento y la fuerza tienen sentido contrario (El trabajo
hecho por la fuerza de rozamiento es negativo).
Todos los sistemas almacenan energía que pueden utilizar en
cualquier momento para hacer un trabajo. El chico tiene energía a causa de su posición, al caer,
esta energía se transforma en el trabajo necesario para levantar a la chica. Esta energía se
denomina energía potencial .
La energía se transforma y se conserva.
Webgrafía:
newton.cnice.mec.es/materiales.../trabajo/indice_trapoenedinewton.ht...
fisica2013.blogspot.com/.../trabajo-y-energia-cinetica-potencial-y.ht.
www.youtube.com/watch?v=lqsPUi5HZc0
recursostic.educacion.es/secundaria/edad/.../impresos/quincena6.pd
www.kalipedia.com/fisica-quimica/tema/energia-cinetica.html?x...
