TEMA 1: TRABAJO Y ENERGÍA MECÁNICA METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Y APRENDIZAJE DE LA FÍSICA Y LA QUÍMICA. MARÍA DEL MAR NAVAREÑO GARCÍA 4º ESO Física y Química.

ÍNDICE ¿Qué es la energía? Definición de trabajo. Conceptos sobre el trabajo. Energía mecánica. Conservación de la energía. Concepto de potencia. Las máquinas. La energía en la sociedad. Conclusión y repaso. Mapa conceptual y resumen. Ejercicios.

1. ¿Qué es la energía? La capacidad para realizar un trabajo. Todo lo que produce un cambio, una transformación o un desplazamiento. El trabajo es energía en movimiento. Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo. Tanto el trabajo como la energía son magnitudes escalares.

2. Definición de trabajo. ,donde W=Trabajo. El trabajo es el producto de la fuerza por el desplazamiento si ambos tienen la misma dirección. ,donde W=Trabajo. F= Fuerza aplicada. x= desplazamiento producido. Unidades: J= N  m, donde J= Julio. N= Newton. m= metro. También puede expresarse en KWh :

3. Conceptos sobre el trabajo Sin desplazamiento no hay trabajo. El trabajo es máximo si la dirección de la fuerza y el desplazamiento se producen en la misma dirección. El trabajo es negativo si la fuerza y el desplazamiento se producen en direcciones distintas. Sólo realiza trabajo la componente de la fuerza que tiene la dirección del desplazamiento.

En el lenguaje habitual, el de la vida cotidiana, el término trabajo esta asociado a la idea de esfuerzo. Ejemplo: Caso 1 Ana realiza mucho esfuerzo y empuja la caja, pero es muy pesada, pasa un minuto esforzándose y se cansa mucho pero no se desplaza, ¿Se realiza trabajo? SOLUCIÓN: No, porque no se realiza desplazamiento.

Ejemplos: Caso 2 Raúl, carga su mochila y se dirige caminando al colegio durante 20 minutos, ¿Realiza trabajo? Solución: No, porque la fuerza o peso es perpendicular al desplazamiento.

Ejemplo: Caso 3. Ernesto, carga su maletín desplazándolo desde el suelo hasta una mesa. ¿Realiza trabajo?

Ejemplo: Caso 4

Ejemplo: Caso 5.

4. ¿Qué es la energía mecánica? Capacidad que tiene un cuerpo de realizar un trabajo en virtud de su velocidad (energía cinética), posición en el campo gravitatorio (energía potencial gravitatoria), o en estado de tensión (energía potencial elástica).

4.1. Energía potencial gravitatoria Energía que posee un cuerpo en virtud de la posición que ocupa. Dicha energía es distinta a la que posee en equilibrio. Equivale al trabajo que se realiza para elevar un cuerpo hasta una altura. Siendo, m = masa del cuerpo. g = gravedad de la tierra= 9,8 m/s2 h = altura a la que se encuentra. No se puede hablar de la energía potencial de un cuerpo a una determinada altura sino más bien de diferencia de energía potencial. Para evitar esto, se considera h0 como el nivel cero de energía potencial.

Ejemplo práctico

Ejemplo: Energía potencial gravitatoria. Un objeto de 50 kg se halla a 10 m de altura sobre la azotea de un edificio cuya altura, respecto del suelo es 250m. ¿Qué energía potencial gravitatoria posee? Dos respuestas, se puede calcular la energía respecto del suelo de la azotea o del suelo del edificio. En 1er caso. En el 2º caso

4.2. Energía cinética Energía que posee un cuerpo en virtud de su velocidad. La variación de la energía cinética es igual al trabajo realizado por la resultante de todas las fuerzas que actúan en un cuerpo.

Ejemplo práctico

Ejemplo: Energía cinética. Un proyectil de 0,4 kg atraviesa una pared de 0,5 m de grosor. La velocidad del proyectil al llegar a la pared es de 400 m/s y al salir de 100 m/s. Calcular: Energía cinética de salida y de llegada a la pared. El trabajo realizado por el proyectil. La resistencia de la pared. a) Wcin. salida= ½ m · v2 = ½ · 0,4 kg · 1002 = 2.000 J Wcin. llegada= ½ m · v2 = ½ · 0,4 kg · 4002 =32.000 J b) W=Wcin.llegada-Wcin.salida=2000J-32.000= -30.000 J c) F=W/desplazamiento= -30.000J/0,5m=-60.000 N= -60KN

4.3. Energía potencial elástica Energía que tiene un cuerpo elástico (un muelle, una goma,…) al encontrarse comprimido o estirado. Siendo k= constante elástica. Cumple la ley de Hooke. La fuerza deformadora es proporcional a la deformación producida.

Ejemplo práctico

Ejemplo: Energía elástica Un muelle de longitud 20 cm se alarga a 8 cm al aplicarle una fuerza de 2N. ¿Qué energía potencial elástica posee?

Ejemplos prácticos

5. Conservación de la energía Principio de conservación de la energía: La energía ni se crea ni se destruye, sino que sólo se transforma. Todos las clases de energía se transforman unas en otras. Ejemplo, la energía gravitatoria puede transformarse en energía cinética. En todo sistema aislado (sistema que no intercambia materia ni energía con el exterior) la cantidad de energía ha de ser siempre constante.

Ejemplo: Energía mecánica

Solución ejemplo El niño que se encuentra en la parte superior del tobogán está situado a una altura h y posee energía potencial: Ep= m·g·h. Ep= 25kg · 9.8 m/2 · 2m= 490J Al final del recorrido la energía potencial se ha transformado en energía cinética por lo tanto: Ec= 490J. En la mitad del recorrido posee energía cinética y potencial, y la suma de ambas sigue siendo 490 J. Ep = m·g·h = 25 kg· 9,8 m/s . 1m = 245 J. Eméc.=Ec+Ep; Ec=Eméc – Ep = 490 J – 245 J= 245 J d) Ec=1/2 m · v2;

6. Concepto de potencia Potencia es la rapidez con la que se realiza un trabajo. donde, P=Potencia. W=Trabajo. T= tiempo. Unidades: w = J/ s, donde w= watio. J= Julio. s= segundo.

7. Las máquinas Máquina: instrumento que permite realizar y aprovechar un trabajo. Una máquina es más potente que otra si tarda menos tiempo en realizar el mismo trabajo. Es necesario utilizar máquinas potentes para realizar un trabajo, puesto que el esfuerzo es menor y la rapidez es mayor. El rendimiento (%) de una máquina es el resultado de dividir la potencia real de la potencia teórica. Expresado en porcentaje.

8. Energía y sociedad. Si los seres humanos o las plantas crecen y sobreviven es totalmente gracias a la energía.  El carbón, la pólvora, el petróleo, son ejemplos de sustancias cuya energía química puede originar otras clases de energía, cómo mecánica y eléctrica. Se trata de que la energía se obtenga por fuentes de energía de tipo renovable, (solar, eólica, hidroeléctrica, geotérmica, mareomotriz y biomasa) ya que el carbón y el petróleo producen mucha emisión de CO2 que junto con el CH3 y otros producen gases de efecto invernadero.

9.Conclusión y repaso La energía es la capacidad para realizar un trabajo. Energía mecánica: Energía potencial: La energía cinética: Energía elástica: La energía ni se crea ni se destruye. Se transforma.

10. Resumen y mapa conceptual

11. Bibliografía Física y Química. Everest secundaria. J.A. Fidalgo Sánchez. M.R. Fernández Pérez. DECRETO 98/2016, de 5 de julio, por el que se establecen la ordenación y el currículo de la Educación Secundaria Obligatoria y del Bachillerato para la Comunidad Autónoma de Extremadura. Ley Orgánica 8/2013, de 9 de diciembre, para la mejora de la calidad educativa.7 http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esofisicaquimica/4qui ncena6/impresos/quincena6.pdf

Ejercicio 1 Un martillo posee una masa de 2 Kg, teniendo en cuenta que la gravedad la podemos aproximar a 10m/s2 ¿Cuál será la energía potencial que posee cuando se haya situado a una altura de 2 m del suelo? a) 400 J. b) 400 Kw. c) 398 eV.

Ejercicio 2 Se lanzan dos pelotas a la misma velocidad pero a tienen distinta masa, una tiene el doble de masa que la otra. ¿Cuál poseerá mayor energía cinética? ¿Por qué?

Ejercicio 3 Calcula la energía mecánica que tendrá una de las góndolas de una noria de 15 m de radio cuando se encuentra en su punto más alto, moviéndose a una velocidad de 3 m/s, si su masa es de 200 kg. La gravedad es 9,8 m/s2.

MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN