ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO

Presentación del tema: "ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO"— Transcripción de la presentación:

1 ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO
Física y química 4º E.S.O. TERCER TRIMESTRE UNIDAD 10: ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO

2 CONCEPTOS BÁSICOS ENERGÍA
Para poder abordar los contenidos de esta unidad. Debemos aclarar algunos conceptos 1.- Sistema: es la parte del Universo que se selecciona para su estudio en una investigación 2.- Entorno: es la zona en la que se produce algún intercambio con el sistema 3.- Límite: es la separación del sistema con su entorno 4.- Universo: es el conjunto de sistema y entorno de una investigación. UNIVERSO = SISTEMA + ENTORNO ENERGÍA Es todo aquello que posee un sistema y que le permite realizar cambios en el entorno o sobre si mismos, mediante calor o la realización de trabajo

3 CLASIFICACIÓN DE LOS SISTEMAS
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5 ENERGÍA INTERNA, CALOR Y TRABAJO
La energía interna, U, de un sistema es toda la energía que posee debido a la contribución de: - La energía cinética de las moléculas o átomos que lo constituyen, - De sus energías de rotación, traslación y vibración, - De la energía potencial intermolecular debida a las fuerzas de tipo gravitatorio, electromagnético y nuclear. Sistema con U elevada Sistema con U baja

6 ENERGÍA INTERNA, CALOR Y TRABAJO
Si no hay intervención externa. La energía fluye desde los sistemas con elevada energía interna hacia los sistemas con bajas energías internas ENERGÍA EN TRÁNSITO Sistema con U elevada Sistema con U baja TRABAJO CALOR Si esa energía en tránsito se puede estudiar mediante la aplicación de una fuerza y el desplazamiento que esa fuerza provoca, se dice que esa energía se transfiere en forma de trabajo. Se estudiará en esta unidad Si esa energía en tránsito se debe a una diferencia de temperatura, entre los dos sistemasy no se puede estudiar mediante la aplicación de una fuerza y el desplazamiento que esa fuerza provoca, se dice que esa energía se transfiere en forma de calor. Se estudiará en la unidad12

7 Fuerza y desplazamiento provocado por esa fuerza
TRABAJO Si no hay intervención externa. La energía fluye desde los sistemas con elevada energía interna hacia los sistemas con bajas energías internas ENERGÍA EN TRÁNSITO Sistema con U elevada Sistema con U baja TRABAJO CALOR Fuerza y desplazamiento provocado por esa fuerza Diferencia de temperatura

8 UNIDAD DE ENERGÍA, CALOR Y TRABAJO
Si no hay intervención externa. La energía fluye desde los sistemas con elevada energía interna hacia los sistemas con bajas energías internas ENERGÍA EN TRÁNSITO Sistema con U elevada Sistema con U baja JULIOS TRABAJO CALOR Fuerza y desplazamiento provocado por esa fuerza Diferencia de temperatura JULIOS JULIOS POR SER UNA ENERGÍA POR SER UNA ENERGÍA

9 El chico aplica una fuerza Fp sobre la bolsa igual al peso de esta.
TRABAJO Si bien la mayoría de las personas piensa que el trabajo se hace cuando "estás realizando alguna actividad", los físicos dicen que el trabajo solo se ha hecho cuando la fuerza se aplica a un objeto y el objeto se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. El chico aplica una fuerza Fp sobre la bolsa igual al peso de esta. Sin embargo, una vez que ha acelerado y logra una velocidad de desplazamiento constante, no realiza ninguna fuerza en la dirección en la se mueve el objeto. ¡El chico no realiza trabajo!

10 El chico aplica una fuerza Fp sobre la caja, pero esta no se desplaza.
TRABAJO Si bien la mayoría de las personas piensa que el trabajo se hace cuando "estás realizando alguna actividad", los físicos dicen que el trabajo solo se ha hecho cuando la fuerza se aplica a un objeto y el objeto se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. El chico aplica una fuerza Fp sobre la caja, pero esta no se desplaza. ¡El chico no realiza trabajo!

11 El trabajo realizado es igual a W = F · r.
Si bien la mayoría de las personas piensa que el trabajo se hace cuando "estás realizando alguna actividad", los físicos dicen que el trabajo solo se ha hecho cuando la fuerza se aplica a un objeto y el objeto se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. El chico aplica una fuerza de F Newton sobre la caja y la desplaza r = d metros en la misma dirección y sentido que esa fuerza. ¡El chico sí realiza trabajo! El trabajo realizado es igual a W = F · r. Las dimensiones del trabajo son fuerza (newtons) x distancia (metros). El producto de los dos, N · m, se llama Julio, en honor al físico James P. Joule.

12 Analiza la fuerza que realiza la chica.
TRABAJO Si bien la mayoría de las personas piensa que el trabajo se hace cuando "estás realizando alguna actividad", los físicos dicen que el trabajo solo se ha hecho cuando la fuerza se aplica a un objeto y el objeto se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. Analiza la fuerza que realiza la chica. - ¿Toda la fuerza realiza trabajo? - ¿Qué componente de la fuerza realiza trabajo?

13 Analiza la fuerza que realiza la chica.
TRABAJO El trabajo solo se ha hecho cuando la fuerza se aplica a un objeto y el objeto se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. Analiza la fuerza que realiza la chica. - ¿Toda la fuerza realiza trabajo? - ¿Qué componente de la fuerza realiza trabajo? No realiza trabajo Fy = F sen θ Fx = F cos θ Sí realiza trabajo En un caso como este, solo hace trabajo la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Observa que la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento es F cos θ

14 TRABAJO El trabajo solo se ha hecho cuando la fuerza se aplica a un objeto y el objeto se mueve en la dirección de la fuerza aplicada. La componente de la fuerza perpendicular al desplazamiento no se ha representado porque no realiza trabajo La componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento sí realiza trabajo En un caso como este, solo realiza trabajo la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento. Observa en la figura anterior que la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento es F cosθ. Por lo tanto, el trabajo es igual a Fd cosθ.

15 Hallar el trabajo realizado por la fuerza
W = F · r · cos  10 · 3 · 1/2 = 15 J Hallar el trabajo realizado por una fuerza de 12 N, que se aplica sobre un cuerpo que se desplaza 7 m a la derecha, si el ángulo de la fuerza y el desplazamiento es, respectivamente de 0 º, 60 º, 90 º, 135 º, 180 º Analiza el signo del trabajo en los diferentes casos

16 El trabajo puede ser positivo, negativo o nulo.
El trabajo es positivo si la fuerza tiene un componente en la dirección del movimiento El trabajo es cero si la fuerza no tiene componente en la dirección del movimiento El trabajo es negativo si la fuerza tiene una componente opuesta a la dirección del movimiento

17 TRABAJO Observa el desplazamiento (s) y la fuerza aplicada (F) y decide si el trabajo es positivo, negativo o nulo en cada caso

18 TRABAJO Observa el desplazamiento (s) y la fuerza aplicada (F) y decide si el trabajo es positivo, negativo o nulo en cada caso El trabajo es positivo si la fuerza tiene un componente en la dirección del movimiento El trabajo es negativo si la fuerza tiene una componente opuesta a la dirección del movimiento El trabajo es cero si la fuerza no tiene componente en la dirección del movimiento

19 LA ENERGÍA Y EL SIGNO DEL TRABAJO
Analiza el signo del trabajo realizado por el deportista y sus consecuencias en la energía el sistema (las pesas) El deportista levanta las pesas El deportista realiza trabajo sobre las pesas, (W > 0) y estas aumentan su energía W = F · r · cos 0 F · s · 1 = + Fs J > 0 El deportista mantiene las pesas El deportista no realiza trabajo sobre las pesas, (W = 0) y estas no varían su energía W = F · r · cos  F · 0 · cos  = 0 J El deportista baja las pesas Son las pesas las que realizan trabajo sobre el deportista (W < 0) y estas disminuyen su energía W = F · r · cos 180 F · s · (-1) = - Fs J < 0

20 LA ENERGÍA Y EL SIGNO DEL TRABAJO
El deportista levanta las pesas El deportista baja las pesas El deportista realiza trabajo sobre las pesas, (W > 0) y estas aumentan su energía Son las pesas las que realizan trabajo sobre el deportista (W < 0) y estas disminuyen su energía

21 Supongamos a otro deportista que está bajando las pesas,
LA ENERGÍA Y EL SIGNO DEL TRABAJO Supongamos a otro deportista que está bajando las pesas, ¿qué sistema realiza trabajo? La respuesta no es única... La fuerza de las manos del deportista tienen el sentido opuesto al del desplazamiento de las pesas La fuerza de las pesas sobre las manos del deportista tienen la dirección y sentido que el desplazamiento Las pesas realizan un trabajo positivo (W > 0) sobre las manos del deportista y las manos aumentan su energía El deportista hace un trabajo negativo (W < 0) sobre las pesas y estas disminuyen su energía

22 LA ENERGÍA Y EL SIGNO DEL TRABAJO
El chico realiza trabajo sobre la máquina, (W > 0) y esta aumenta su energía El señor no realiza trabajo sobre el maletín (= 90º, cos 90º=0) y este no varía su energía El señor no realiza trabajo sobre el maletín (r = 0) y este no varía su energía La fuerza que el señor hace para subir el maletín realiza trabajo sobre él (W > 0) y el maletín aumenta su energía Al bajar, el maletín realiza trabajo sobre la maquinaria del ascensor (W < 0) y el maletín disminuye su energía

23 Cuando actúan varias fuerzas sobre un objeto, el trabajo total es la suma del trabajo realizado por cada fuerza por separado. Por ejemplo, si hace un trabajo W1, la fuerza hace un W2, la fuerza hace un trabajo W3, y así sucesivamente, el trabajo total es igual a: Wtotal = W1 + W2 + W3 + … TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS El trabajo total realizado por varis fuerzas es igual al trabajo realizado por la fuerza resultante

24 El trabajo es igual al trabajo realizado por la fuerza resultante
TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS El trabajo total es la suma del trabajo realizado por cada fuerza por separado. El trabajo es igual al trabajo realizado por la fuerza resultante

25 Analiza el diagrama. ¿Qué fuerzas hacen trabajo?
TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS Analiza el diagrama. ¿Qué fuerzas hacen trabajo? FUERZAS VERTICALES La normal no tiene ninguna componente en la dirección del movimiento. No realiza trabajo W = N · r · cos 90 F · d · 0 = 0 J El peso no tiene ninguna componente en la dirección del movimiento. No realiza trabajo W = N · r · cos 270 F · d · 0 = 0 J

26 Analiza el diagrama. ¿Qué fuerzas hacen trabajo?
TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS Analiza el diagrama. ¿Qué fuerzas hacen trabajo? FUERZAS HORIZONTALES Debido a la tensión, el operario realiza un trabajo sobre la caja. La caja gana energía. El trabajo es positivo. W = N · r · cos 0 F · d · 1 = + Fd J > 0 Debido al rozamiento, el suelo recibe el trabajo que sobre él realiza la caja. La caja pierde energía. El trabajo es negativo. W = F · r · cos 180 F · d · (-1) = - Fd J < 0

27 ¿Qué fuerzas hacen trabajo sobre el trineo?
TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS ¿Qué fuerzas hacen trabajo sobre el trineo? RECOMENDACIÓN: Clasifica las fuerzas en - FUERZAS PARALELAS AL DESPLAZAMIENTO - FUERZAS PERPENDICULARES AL DESPLAZAMIENTO

28 ¿Qué fuerzas hacen trabajo sobre el trineo?
TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS ¿Qué fuerzas hacen trabajo sobre el trineo? FUERZAS PERPENDICULARES AL DESPLAZAMIENTO La normal no tiene ninguna componente en la dirección del movimiento. No realiza trabajo W = N · r · cos 90 F · d · 0 = 0 J La componente del peso perpendicular a la dirección del desplazamiento, tampoco realiza trabajo. W = P · r · cos 270 P · d · 0 = 0 J

29 ¿Qué fuerzas hacen trabajo sobre el trineo?
TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS ¿Qué fuerzas hacen trabajo sobre el trineo? FUERZAS PARALELAS AL DESPLAZAMIENTO Debido al rozamiento, la nieve recibe el trabajo que sobre ella realiza la caja. La caja pierde energía. El trabajo es negativo. W = Froz · r · cos 180 Froz · d · (-1) = - Frozd J < 0 La componente del peso paralela a la dirección del desplazamiento, realiza un trabajo sobre el trineo. El trineo gana energía. El trabajo es positivo. W = P// · r · cos 0 P// · d · (+1) = P// d J > 0

30 TRABAJO TOTAL REALIZADO POR FUERZAS
¿Cuánto trabajo realiza la Tierra sobre la Luna cuando esta gira alrededor de aquella? La FUERZA CENTRÍPETA es perpendicular al vector velocidad, y también es perpendicular al vector desplazamiento. Por tanto: W = N · r · cos 90 F · d · 0 = 0 J La Tierra no realiza trabajo sobre la luna. Nuestro satélite ni gana ni pierde energía en su movimieinto alrededor de la Tierra

31 GRÁFICO DE LA FUERZA FRENTE AL DESPLAZAMIENTO

32 GRÁFICO DE LA FUERZA FRENTE AL DESPLAZAMIENTO
Para una fuerza variable, el trabajo puede hallarse dividiendo la gráfica en pedazos pequeños, hallando el trabajo realizado durante cada uno de esos intervalos y sumarlos.

33 GRÁFICO DE LA FUERZA FRENTE AL DESPLAZAMIENTO
Calcular el trabajo efectuado por la fuerza variable cuyo gráfico fuerza frente a desplazamiento que se muestra. La lineas de color rojo representan un área positiva, lo que significa que el trabajo en esos tramos es positivo, o sea el sistema gana energía. Para el área de color azul el trabajo es negativo, por lo que el sistema pierde energía. WT= WI+WII+WIII+WIV+WV= +13,3 J Área Intervalo I: WI= bxa + bxa/2= 1x2+1x(5-2)/2= +3,5 J Área Int. II: WII= bxa/2= (3-1)x5/2= +5 J Área Int. III: WIII= bxa/2= (5-3)x(-2)/2= - 2 J Área Int. IV: WIV= bxa/2= (6-5)x2/2= +1 J Área Int. V: WV= bxa= (9-6)x2= +6 J

34 GRÁFICO DE LA FUERZA FRENTE AL DESPLAZAMIENTO
¿Qué trabajo realiza una persona sobre un muelle de constante elástica k cuando lo alarga una distancia x? En área encerrada bajo el gráfico F frente a X representa el trabajo realizado sobre el muelle al estirarlo una distancia x desde su longitud de equilibrio.

35 Una mujer que pesa 600 N se pone encima de una balanza de baño que tiene un muelle. En el equilibrio, el muelle se comprime 1,0 cm por la acción del peso de la mujer. Encuentra la constante elástica del muelle y el trabajo total realizado durante la comprensión del resorte. Observa que tanto el desplazamiento como la fuerza tienen la misma dirección y sentidos negativos, por lo que el trabajo realizado sobre el muelle es positivo La fuerza necesaria para comprimir el muelle F= k· x F x 600 1,0 ·10 -2 k = = = 6,0 ·10 4 N/m Despejando: El trabajo realizado sobre el muelle: 1 2 1 2 W = k x2 = 6,0 ·10 4 ·(1,0 ·10 -2)2 = 3 J

36 POTENCIA La potencia es una magnitud escalar que mide la rapidez con la que se realiza un trabajo. Cuando más rápido se realice el trabajo, más potencia se habrá desarrollado. Por tanto, la fórmula para hallar la potencia media de una máquina será: W P = t La potencia instantánea sería el trabajo realizado en un intervalo de tiempo infinitamente pequeño.

37 POTENCIA Las unidades de potencia relacionarán las unidades de trbajo (energía en tránsito, Julios) con unidades de tiempo (s) W P = t J = W =Vatio s A una potencia de un julio cada segundo se denomina Vatio en honor de James Watt Una unidad muy utilizada, que no es del S.I. es el caballo de vapor (C.V.), que equivale a 735,5 W. Es la potencia necesaria para levantar una de 75 kg a 1 metro de altura en 1 segundo

38 POTENCIA El trabajo necesario para subir una caja es de W = 100 J. Halla la potencia que debes desarrollar si la quieres subir en 1 s y si la queres elevar en 5 s W P = t W 100 J P1 = = = 100 W t 1 s W 100 J P2 = = = 20 W t 5 s

39 W = F · r · cos 0F· r · cos 0= F·r = mg·r
POTENCIA Una grúa eleva un cuerpo de 10 toneladas hasta una altura de 30 m del suelo en un minuto. Halla la potencia desarrollada por el motor F + p =m ·a W P = t F + p =m ·0 F + p = 0 F = -p = -mg W = F · r · cos 0F· r · cos 0= F·r = mg·r W F·r cos 0 mg· r 1·104 · 9,8· 30 P = = = = = 4,9·104 W t t t 60

40 La potencia puede relacionarse con la velocidad:
W P = t F·r r F· v P = P = = F· = F· v t t W = F · r · cos F· r cos 0= F·r

41 POTENCIA Cada uno de los motores de un Boeing 767 desarrolla una fuerza de propulsión de N. ¿Qué potencia desarrolla cada motor cuando el avión está volando a una velocidad de 250 m/s? Expresa el resultado en C.V. F· v P = 1 C.V. P = F· v = N · 250 m/s = W · = C.V. 735,5 W

42 = = = a = a = t t t F· v P = F· v = m· a · v m· a · v = = = 1500·
Un coche de 1500 kg de masa acelera uniformemente desde el reposo hasta alcanzar una rapidez de 10 m/s en 3 s. Encuentre la potencia media (en kW) entregada por el motor en los primeros 3 s v – 0 v v v v2 – v1 = = = a = a = t t t t t – 0 F· v P = m·a F = Sustituimos a v v2 102 F· v = m· a · v m· a · v = = = 1500· = 5 · 104 W P = m· · v m· t t 3 Cambiando unidades 1 kW P = 5 · 104 W = 5 · 104 W · = 5 · 101 kW 103 W