GUIA FISICA I IVAN DARIO PARRA GARCIA

COLEGIO CRISTIANO COLOMBO INTERNACIONAL
ACOINPREV
GUIA FISICA I IVAN
DARIO PARRA GARCIA
GUIA FISICA FINAL CUARTO PERIODO
2009
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2009
TRABAJO ENERGIA Y POTENCIA
Contenido
Apunte de Trabajo, Energía y Potencia: Trabajo de una fuerza. Energía cinética. Energía
potencial. Fuerzas conservativas y no conservativas. Potencia.
TRABAJO - ENERGIA - POTENCIA
Contenido
Trabajo de una fuerza. Energía cinética. Energía potencial. Fuerzas conservativas y no
conservativas. Potencia.
Desarrollo.
Trabajo de una fuerza
Una fuerza constante genera trabajo cuando, aplicada a un cuerpo, lo desplaza a lo
largo de una determinada distancia.
Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo,
por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento. Por otra parte, si una
fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un
libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del
esfuerzo necesario. El trabajo se expresa en Joules (J).
Cuando la fuerza tiene la dirección de movimiento.
L = F.d
L: Trabajo realizado por la fuerza.
Cuando la fuerza aplicada tiene una inclinación α con respecto al movimiento.
L = F.cos α .d
Todas las fuerzas perpendiculares al movimiento no realizan trabajo.
La fuerza puede no ser mecánica,como ocurre en el levantamiento de un cuerpo o en la
aceleración de un avión de reacción; también puede ser una fuerza electrostática,
electrodinámica o de tensión superficial.
Energía
La magnitud denominada energía enlaza todas las ramas de la física. En el ámbito de la
física, debe suministrarse energía para realizar trabajo. La energía se expresa en joules (J).
Existen muchas formas de energía: energía potencial eléctrica y magnética, energía cinética,
energía acumulada en resortes estirados, gases comprimidos o enlaces moleculares,energía
térmica e incluso la propia masa.
Energía cinética
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Cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo también se realiza trabajo, como
ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores. Cuando un
cuerpo se desplaza con movimiento variado desarrolla energía cinética.
Ec = ½.m.v ²
L = F.d
L = Ec
F.d = ½.m.v ²
Ec: Energía cinética.
El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre una partícula es igual a la
variación de la energía cinética de dicha partícula.
Δ Ec = Ec2 - Ec1
L = Ec2 - Ec1
F.d = ½.m.(v ²2 - v ²1)
Δ Ec: Variación de la energía cinética.
Energía potencial
Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se
realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad,dirigida hacia abajo; la energía
comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta su energía potencial. Si se realiza trabajo
para elevar un objeto a una altura superior, se almacena energía en forma de energía
potencial gravitatoria.
Cuando un cuerpo varía su altura desarrolla energía potencial.
Ep = m.g.h
p
Ep: Energía potencial.
El trabajo realizado por la fuerza peso es igual a la variación de la energía potencial.
Δ Ep = Ep2 - Ep1
L = Ep2 - Ep1
P.d = m.g.(h2 - h1)
Δ Ep: Variación de la energía potencial.
En todas las transformaciones entre un tipo de energía y otro se conserva la energía total, y
se conoce como teorema de la energía mecánica (Δ EM). Por ejemplo, si se ejerce trabajo
sobre una pelota de goma para levantarla, se aumenta su energía potencial gravitatoria. Si se
deja caer la pelota, esta energía potencial gravitatoria se convierte en energía cinética.
Cuando la pelota choca contra el suelo, se deforma y se produce fricción entre las moléculas
de su material. Esta fricción se transforma en calor o energía térmica.
Fuerzas conservativas
Para un cuerpo de masa m que se mueve del punto 1 al 2 y luego del punto 2 al 1.
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Una fuerza es conservativa si el trabajo efectuado por ella sobre una partícula que se
mueve en cualquier viaje de ida y vuelta es 0.
Δ EM = 0
Δ EM : Variación de la energía mecánica.
Trabajo de fuerzas conservativas:
L = Δ EM
Δ EM = Δ Ec + Δ Ep
L = Δ Ec + Δ Ep
Fuerzas no conservativas
Para un cuerpo de masa m que se mueve del punto 1 al 2 y luego del punto 2 al 1.
Una fuerza es no conservativa si el trabajo efectuado por ella sobre una partícula que se
mueve en cualquier viaje de ida y vuelta es distinto de 0.
Δ EM ≠ 0
Δ EM = HO
Δ EM: Variación de la energía mecánica.
HO : Trabajo de la fuerza de rozamiento.
Trabajo de fuerzas no conservativas:
L = Δ EM + HO
L = Δ Ec + Δ Ep + HO
Siendo: HO = Fr.d
Potencia
La potencia desarrollada por una fuerza aplicada a un cuerpo es el trabajo realizado por ésta
durante el tiempo de aplicación. La potencia se expresa en watt (W).
P=L/t
P = F.d / t
v=d/t
P = F.v
También:
P = (Δ Ec + Δ Ep + HO)/t
Si no hay fuerza de rozamiento
P = (Δ Ec +Δ Ep)/t
Si no cambio su altura
P = (Δ Ec)/t
P: potencia
Caballo de vapor: Unidad tradicional para expresar la potencia mecánica, es decir, el trabajo
mecánico que puede realizar un motor por unidad de tiempo; suele abreviarse por CV. En el
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Sistema Internacional de unidades, la unidad de potencia es el vatio; 1 caballo de vapor
equivale a 736 vatios. Su valor original era, por definición, 75 kilográmetros por segundo.
Autor: Ricardo Santiago Netto "Fisicanet"
Resolver los siguientes problemas:
Problema n° 1) Transformar 350 kgf.m a Joul y kW.h.
Problema n° 2) ¿Cuántos kgf.m y Joul representan 78 kW.h?.
Problema n° 3) Indicar cuántos Joul y kW.h son 1278 kgm.
Problema n° 4) Indicar el trabajo necesario para deslizar un cuerpo a 26 m de su posición
inicial mediante una fuerza de 18 N.
Problema n° 5) ¿Qué trabajo realiza un hombre para elevar una bolsa de 170 kgf a una altura
de 2,58 m?. Expresarlo en:
a) kgf.m
b) Joule
c) kW.h
Problema n° 6) Un cuerpo cae libremente y tarda 8 s en tocar tierra. Si su peso es de 14 N,
¿qué trabajo deberá efectuarse para elevarlo hasta el lugar desde donde cayó?. Expresarlo
en:
a) Joule.
b) kgm.
Responder el siguiente cuestionario:
Pregunta n° 1) ¿Qué es el trabajo mecánico?.
Pregunta n° 2) ¿En que unidades se mide el trabajo?.
Pregunta n° 3) ¿Cuáles son sus equivalencias?.
Pregunta n° 4) Si se levanta un cuerpo desde el suelo, ¿hay trabajo?.
Resolver los siguientes problemas:
Problema n° 7) Un proyectil que pesa 70 kgf es lanzado verticalmente hacia arriba con una
velocidad inicial de 125 m/s. Se desea saber:
a) ¿Qué energía cinética tendrá al cabo de 12 s?.
b) ¿Qué energía potencial tendrá al alcanzar su altura máxima?.
Problema n° 8) ¿Qué energía cinética alcanzará un cuerpo que pesa 68 N a los 70 s de caída
libre?.
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Problema n° 9) ¿Qué energía cinética alcanzará un cuerpo de masa 250 kg si posee una
velocidad de 30 m/s?.
Problema n° 10) ¿Con qué energía tocará tierra un cuerpo que pesa 3500 g si cae libremente
desde 20 m de altura?.
Problema n° 11) Un cuerpo de 280 N se desliza por un plano inclinado de 35 m de largo y 3,8
de alto, calcular:
a) ¿Qué aceleración adquiere?.
b) ¿Qué energía cinética tendrá a los 5 s?.
c) ¿Qué espacio recorrió en ese tiempo?.
Problema n° 12) ¿Qué energía potencial posee un cuerpo de masa 50 kg colocado a 4 m del
suelo?.
Problema n° 13) Si el cuerpo del ejercicio anterior cae, ¿con qué energía cinética llega al
suelo?.
Problema n° 14) Sabiendo que cada piso de un edificio tiene 2,4 m y la planta baja 2,7 m,
calcular la energía potencial de una maceta que, colocada en el balcón de un quinto piso,
posee una masa de 10,5 kg.
Problema n° 15) Un cuerpo de 2250 kg cae desde 65 m, ¿con qué energía cinética llega a
tierra?.
Problema n° 16) Un proyectil de 7 kg de masa es lanzado verticalmente hacia arriba con
velocidad inicial de 80 m/s, ¿qué energía cinética posee a los 4 s? y ¿qué energía potencial al
alcanzar la altura máxima?.
Responder el siguiente cuestionario:
Pregunta n° 5) ¿Qué es energía?.
Pregunta n° 6) ¿Qué clases de energía conoce?.
Pregunta n° 7) Si se levanta un cuerpo desde el suelo, ¿hay transformación de energía?.
Pregunta n° 8) ¿Qué aparato o máquina transforma energía mecánica en luminosa?.
Resolver los siguientes problemas:
Problema n° 17) Transformar 28000 kW a:
a) cv.
b) Kgm/s.
Problema n° 18) Una grúa levanta 3000 kg a 18 m del suelo en 17 s, expresar la potencia
empleada en:
a) cv.
b) W.
c) HP.
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Problema n° 19) Un motor de 150 cv es capaz de levantar un bulto de 5 ton hasta 30 m, ¿cuál
es el tiempo empleado?.
Problema n° 20) ¿Qué potencia deberá poseer un motor para bombear 600 lt de agua por
minuto hasta 55 m de altura?.
Problema n° 21) ¿Cuál será la potencia necesaria para elevar un ascensor de 54000 N hasta
11 m de altura en 35 s?. ¿Cuál será la potencia del motor aplicable si el rendimiento es de
0,75?.
Problema n° 22) Calcular la velocidad que alcanza un automóvil de 1800 kgf en 26 s,
partiendo del reposo, si tiene una potencia de 130 HP.
Problema n° 23) Un automóvil de 220 HP de potencia y 1600 kgf de peso, sube por una
pendiente de 70° a velocidad constante. Calcular la altura que alcanza en 34 s.
Problema n° 24) Calcular la potencia de una máquina que eleva 30 ladrillos de 450 g cada
uno a una altura de 1,8 m en 2 minutos.
Problema n° 25) La velocidad de sustentación de un avión es de 144 km/h y su peso es de
17000 kgf. Si se dispone de una pista de 1200 m, ¿cuál es la potencia mínima que debe
desarrollar el motor para que el avión pueda despegar?.
Responder el siguiente cuestionario:
Pregunta n° 9) ¿Qué es la potencia?.
Pregunta n° 10) ¿Cuáles son sus unidades?.
Pregunta n° 11) ¿Cuáles son sus equivalencias?.
Pregunta n° 12) ¿Qué es el kilowatt hora?.
Resolver los siguientes problemas:
Problema n° 26) Un carrito de 7 N es desplazado 5 m a lo largo de un plano horizontal
mediante una fuerza de 28 N. Luego esa fuerza se transforma en otra de 45 N a través de 2,2
m. Determinar:
a) El trabajo efectuado sobre el carrito.
b) La energía cinética total.
c) La velocidad que alcanzó el carrito.
Problema n° 27) Un cuerpo de 2,5 kg de masa cae desde 60 m. Determinar la energía
potencial y cinética cada 10 metros a partir del origen.
Problema n° 28) Un cuerpo de 150 g de masa se lanza hacia arriba con velocidad inicial de
500 m/s, calcular:
a) La energía cinética inicial.
b) La energía cinética a los 6 s de caída.
Problema n° 29) Un carrito de 24 kg de masa se mueve con una velocidad de 4 m/s, calcular:
a) La energía cinética si debe subir una pendiente.
b) La altura que alcanzará.
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Problema n° 30) Una persona sube una montaña hasta 2300 m de altura, ¿cuál será su
energía potencial si pesa 770 N?
Problema n° 31) Un cuerpo de 46 kg de masa cae por un plano inclinado que forma con la
horizontal un ángulo de 30°. ¿Cuál será su energía cinética luego de recorrer 20 m sobre el
plano si partió del reposo?.
Problema n° 32) Un cuerpo de 40 N de peso se halla en el punto más alto de un plano
inclinado de 20 m de largo y 8 m de alto. Determinar:
a) La energía potencial en esa posición.
b) La energía cinética si cae al pié de esa altura.
c) La energía cinética si cae al pié deslizándose por la pendiente.
Problema n° 33) Un proyectil de 0,08 N de peso atraviesa una pared de 22 cm de espesor, si
llega a ella con una velocidad de 650 m/s y reaparece por el otro lado con una velocidad de
400 m/s, ¿cuál es la resistencia que ofreció el muro?.
Problema n° 34) Un vagón de 9000 kg de masa que desarrolla una velocidad de 40 m/s,
aplica los frenos y recorro 4,4 km antes de detenerse. ¿Cuál es la resistencia ejercida por los
frenos?.
Problema n° 35) Un cuerpo de 3,45 kg de masa se desplaza sin rozamiento por un plano
inclinado de 5 m y 1 m de altura, determinar:
a) La distancia recorrida por el cuerpo, que parte del reposo, en 1,5 s.
b) La energía cinética adquirida en ese lapso.
c) La disminución de la energía potencial en igual lapso.
Los ejercicios se encuentran resueltos en la siguiente
dirección:
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/f1_trabajo_energia.php
obviamente con diferentes valores.
Para aclarar mejor los conceptos se recomienda consultar
los siguientes libros en la biblioteca de Suba Francisco José
de Caldas:
530.0711 F47F V. 1
2004
Física universitaria
11a. ed.
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Sears, Francis Weston, 18983 copias disponibles en Usquen Servita y Suba
530 S37F6 T.1
Física para ciencias e ingeniería
Serway, Raymond A.
2008
7a ed.
5 copias disponibles en Bosa, Usquen Servita, Suba, El Tunal, y La Victoria
R 036 E52E17 V.1
Enciclopedia temática discovery autoevaluativa
Diorki
2006
3a. ed.
21 copias disponibles en Bosa, Suba, y La Victoria
530 M66F V.1
Física seis ideas fundamentales
Moore, Thomas A.
2005
2a. ed.
11 copias disponibles en Bosa, Usquen Servita, Suba, El Tintal, El Tunal, y La Victoria
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