ENERGÍA, TRABAJO, POTENCIA: CONCEPTOS E ILUSTRACIONES

ENERGÍA, TRABAJO, POTENCIA: CONCEPTOS E ILUSTRACIONES
La energía es uno de los conceptos más importantes en todas las áreas de la
física y en otras ciencias. La energía es una cantidad que se conserva, de ahí
su importancia.
La energía puede definirse en la forma tradicional, aunque no
universalmente correcta como "la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla
definición no es muy precisa ni válida para todos los tipos de energía, como la
asociada al calor, pero sí es correcta para la energía mecánica, que a
continuación describiremos y que servirá para entender la estrecha relación
entre trabajo y energía.
Pero, ¿qué se entiende por trabajo? En el lenguaje cotidiano tiene diversos
significados. En física tiene un significado muy específico para describir lo que
se obtiene mediante la acción de una fuerza que se desplaza cierta distancia.
El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como en
dirección, se define como: "el producto de la magnitud del desplazamiento por
la componente de la fuerza paralela al desplazamiento".
En forma de ecuación:
, donde W denota trabajo,
desplazamiento neto d.
es la componente de la fuerza paralela al
.
En forma más general se escribe:
W=Fdcos , donde F es la magnitud de la fuerza constante, d el
desplazamiento del objeto y el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del
desplazamiento neto. Notemos que Fcos es justamente la componente de la
fuerza F paralela a d. Se aprecia que el trabajo se mide en Newton metros,
unidad a la que se le da el nombre Joule (J).
1 J = 1 Nm.
Veamos un ejercicio:Una caja de 40 kg se arrastra 30 m por un piso horizontal,
aplicando una fuerza constante Fp = 100 N ejercida por una persona. Tal
fuerza actúa en un ángulo de 60º. El piso ejerce una fuerza de fricción o de
roce
Fr = 20 N. Calcular el trabajo efectuado por cada una de las fuerzas Fp, Fr, el
peso y la normal. Calcular también el trabajo neto efectuado sobre la caja.
Solución: Hay cuatro fuerzas que actúan sobre la caja, Fp, Fr, el peso mg y la
normal (que el piso ejerce hacia arriba).
El trabajo efectuado por el peso mg y la normal N es cero, porque son
perpendiculares al desplazamiento ( =90º para ellas).
El trabajo efectuado por Fp es:
Wp = Fpxcos (usando x en lugar de d) = (100 N)(30 m)cos60º = 1500 J.
El
trabajo
efectuado
por
la
fuerza
Wr = Frxcos180º = (20 N)(30 m)(-1) = -600 J.
de
fricción
Fr
es:
El ángulo entre Fr y el desplazamiento es 180º porque fuerza y desplazamiento
apuntan en direcciones opuestas.
El trabajo neto se puede calcular en dos formas equivalentes:


Como la suma algebraica del efectuado por cada fuerza:
WNETO = 1500 J +(- 600 J) = 900 J.
Determinando primero la fuerza neta sobre el objeto a lo largo del
desplazamiento:
F(NETA)x= Fpcos - Fr
y luego haciendo
WNETO = F(NETA)xx = (Fpcos - Fr)x
= (100 Ncos60º - 20 N)(30 m) = 900 J.
Volviendo al tema de la energía, un objeto en movimiento tiene la capacidad de
efectuar trabajo, y por lo tanto se dice que tiene energía. Por ejemplo un
martillo en movimiento efectúa trabajo en el clavo sobre el que pega. En este
ejemplo, un objeto en movimiento ejerce una fuerza sobre un segundo objeto y
lo mueve cierta distancia.