Energía y Trabajo Física 2º bachillerato

ENERGÍA 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:  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, ...) 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

La Energía es un concepto abstracto, pero se le puede describir ya que presenta una serie de rasgos básicos : 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. 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.

Energía mecánica Energía cinética Energía potencial ENERGÍA CINÉTICA Es la energía que posee un cuerpo en virtud de su estado en movimiento  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).  Es directamente proporcional al producto de la masa del cuerpo por el cuadrado de su velocidad. 

La bala tiene mucha energía cinética por salir con velocidad muy elevada El tren tiene mucha energía cinética por tener una gran masa Energía potencial Es la energía que adquiere un cuerpo al alejarse del equilibrio   h2 m2 Energía potencial gravitatoria: energía debida a la posición que ocupan los cuerpos respecto al centro de la Tierra.   h1 m1 Ep = m g h Si m1 = m2 y h2  h1 

Hay otras clases de energía potencial, como por ejemplo:  - 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 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

-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. Desde el punto de vista físico la fuerzas conservativas son realmente fuerzas conservadoras, fuerzas que conservan la energía mecánica total 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. No es posible hablar de Energía Potencial si la fuerza que actúa no es conservativa. A toda fuerza conservativa se le puede asignar una función escalar denominada energía potencial de modo que : W =Ep(inicial) – Ep(final) Si se realiza un trabajo contra una fuerza conservativa dicha fuerza devuelve integramente el trabajo realizado cuándo se la deja actuar libremente. Son fuerzas que tienden a llevar al cuerpo hacia su posición de equilibrio.

EL TRABAJO 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:  X Y O a A B     Trabajo es el producto escalar de una fuerza por el desplazamiento que produce 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 

X F O  Una fuerza constante Fx actúa en la dirección del eje X sobre un cuerpo y lo desplaza en esa misma dirección: x = xf - x0 Fx Dx xo x1 W = Área = Fx.Dx  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. 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:

TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS Y X El trabajo realizado por Fx cuando el cuerpo experimenta un desplazamiento x es:  W = Fx x cos 0 = Fx x x0 x1 x Fx = m ax  W = m ax x  W = Ec El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo se emplea en variar la energía cinética del mismo

TRABAJO Y ENERGÍA POTENCIAL  Se quiere elevar a v = cte un objeto de masa m situado sobre una mesa de altura y1 hasta una estantería de altura y2 y2 Dx m v = cte  Debemos realizar una fuerza hacia arriba igual al peso m g, desplazándolo una distancia y y1  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: El trabajo realizado por una fuerza conservativa lleva a los cuerpos al equilibrio por lo que disminuye su energía potencial W = - Ep 

TRABAJO 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:  Sea una fuerza constante que actúa sobre un cuerpo en la misma dirección que el desplazamiento que produce  El trabajo realizado es: W = F r cos 0 = F r  La potencia será:  Utilizando su potencia máxima, el coche tiene que disminuir su velocidad para subir la cuesta . Cambiando a marchas cortas, se consigue aumentar su fuerza

En medidas eléctricas: 1 kW . h = 1000 W . 3600 s = 3 600 000 J  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  Unidades de potencia En el S.I. es el J/s que recibe el nombre de vatio ( W ) 1 kW = 1000 W Otras unidades: 1 CV = 735 W

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  W = 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: 

CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA  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  = 0 V0 = 0 m h  En el punto 1  Punto 1 Ec1 = m g (h - h1) Ep1 = m g h1 h1  En el punto 2 Punto 2  Ec2 = m g (h - h2) Ep2 = m g h2 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

DISIPACIÓN 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