guía de física potencia y energía
LOGROS:
1.- Proporciona explicaciones formalizadas, mediante modelos lógicos y matemáticos del concepto de trabajo, potencia y energía. 2.-Utiliza el principio de conservación de la energía, para explicar eventos y fenómenos de la vida cotidiana y el funcionamiento de maquinas 3.-Aplica el principio de conservación de la energía mecánica en la solución de situaciones problemicas practicas. |
CONCEPTO DE TRABAJO
En física se dice que se realiza un trabajo cuando se transfiere energía a un cuerpo y este cambia su estado de movimiento.
DEFINICION: al subir un objeto pesado hasta determinada altura se dice que se ha realizado un trabajo, para ello se tuvo que ejercer una fuerza de magnitud dada.
Cuando un sistema transfiere energía a otro y como consecuencia de dicha transferencia en el segundo sistema se produce desplazamiento se dice que se ha realizado un trabajo es decir que el trabajo es un proceso de transferencia de energía mediante el cual se produce un cambio de posición de uno o varios cuerpos.
Lo anterior sugiere dos aspectos:
- para realizar un trabajo es necesario aplicar una fuerza, lo cual produce un desplazamiento.
- El trabajo realizado por un fuerza es proporcional al modulo de dicha fuerza y a la distancia que se desplaza el objeto sobre el cual se aplico dicha fuerza.
El trabajo W producido por una fuerza F aplicada sobre un cuerpo es igual al producto de la Intensidad de la fuerza aplicada en la dirección del movimiento. Por el modulo del desplazamiento ΔX del cuerpo.
ECUACION DE TRABAJO
W = F. ΔX
Esta ecuación se aplica cuando la fuerza aplicada es paralela al desplazamiento.
Cuando la fuerza aplicada forma un angulo α con el desplazamiento tal y como se mira en la figura, la ecuación del trabajo es:
W = F. ΔX cos α
UNIDADES DE TRABAJO
Con base en la formula W = F. ΔX
La fuerza se mide en Newton y el desplazamiento en metros = new x metro = Julio
Otra unidad = dina x cm = Ergio
FUERZAS QUE NO REALIZAN TRABAJO
Cuando un cuerpo no se desplaza, el trabajo realizado por la fuerza que actúa sobre el es cero. Pero este no es el único caso en los cuales hay desplazamiento y sin embargo las fuerzas señaladas no realizan trabajo. Observe algunos ejemplos.
Se concluye que cuando una fuerza actúa en forma perpendicular al desplazamiento
W = F. ΔX cos 90º = 0
EL TRABAJO DE LA FUERZA DE ROZAMIENTO
La fuerza de rozamiento como es una fuerza que trata de oponerse al movimiento de los cuerpos, implica que en lugar de suministrar energía al sistema, en este caso al bloque, las superficies en contacto la absorben, oponiéndose al movimiento.
EL TRABAJO DE LA FUERZA NORMAL
La fuerza normal no realiza trabajo sobre un cuerpo que descansa sobre una superficie, puesto que es perpendicular al desplazamiento
Cuando sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, el TRABAJO NETO es igual al trabajo realizado por la FUERZA NETA
Ahora bien cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza constante podemos representar gráficamente, la componente de la fuerza en la dirección del movimiento, en función del desplazamiento.
Visita la siguiente pagina http://www.youtube.com/watch?v=cswT3j-Y6S0&feature=related (video trabajo)
ENERGIA
Los conceptos de trabajo y energia estan intimamente ligados. En primer lugar, cuando realzamos un trabajo sobre un cuerpo, le hemos transferido una cierta cantidad de energia que se manifiesta en el movimiento de dicho cuerpo. En la naturaleza existen muchas formas de energia: mecanica, quimica, nuclear, solar, eolica, geotermica, luminica, electrica, de todas estas formas de enrgia estudiaremos la ENERGIA MECANICA en sus dos formas CINETICA Y POTENCIAL http://www.youtube.com/watch?v=njDoA2VFJmc&feature=related
ENERGIA CINETICA
todo cuerpo en movimiento puede transmitirlo a otros cuerpos que se encuentran en reposo, es decir, que puede realizar una tranferencia de enegia y de ste modo efectuar un trabajo.
Considere un cuerpo e masa m cuya velociddad inicial es Vo al que se le aplico una fuerza neta F dirgida en el mismo sentido del movimiento. Por la accion de dicha fuerza ( F) el objeto es sometiso a uan aceleracion a y la velociidad del cuerpo aumenta, de menera que despues de experimentar un desplazamiento ΔX se tendrá una velocidad Vf.
El trabajo neto realizado por la fuerza es:
Wneto = Fneta ΔX cos α (1)
Pero F= m a, si reemplazamos en (1)
Wneto = m a ΔX cos 0º
W neto = m a ΔX, como estamos con un movimiento uniformemente acelerado, se cumple la siguiente formula = + 2 a ΔX; despejamos a ΔX
a ΔX = ; reemplazando en (1) tenemos W neto = m ( )
Aplicando la propiedad distributiva de la multiplicación respecto de una resta, se obtiene:
Wneto = m - m (2)
Definimos la Energía Cinética
E c = m V2, si reemplazamos en la ecuación (2)
Esta ecuación representa el teorema fundamental del trabajo para la energía cinética, el cual se lo puede interpretar de la siguiente manera: vista la siguiente página http://www.youtube.com/watch?v=jPhbUf2WP4E
ENERGIA POTENCIAL GRAVITACIONAL
Ya sabemos que la tierra atrae a los cuerpos con una fuerza llamada PESO de tal forma que cuando un cuerpo cae el peso realiza trabajo sobre el objeto. En el tema anterior estudiamos que el trabajo esta ligado con la transferencia de energía por lo tanto podemos asociar cierta energía a un cuerpo que esta a determinada altura con respecto al suelo, tal y como se observa en la figura. A la energía asociada con la fuerza gravitacional se la llama ENERGIA POTENCIAL GRAVITATORIA
En la figura se observa un cuerpo de masa m que se encuentra inicialmente a una altura Yi y que cae libremente hasta una altura Yf . la fuerza que actua sobre el cuerpo es el PESO que además de ser constante tiene el mismo sentido del desplazamiento. Calculemos el trabajo realizado por la fuerza PESO.
W = F. ΔX cos α
Si la fuerza que actua y el desplazamiento tienen el mismo sentido, α = 0 y el trabajo queda
W = F. ΔX, para nuestro caso ΔX = Yi – Yf, que reemplazando en la ecuación del trabajo, tenemos
W = F (Yi – Yf, ), ahora debemos recordar que la fuerza que actua es el peso F = mg (masa x gravedad)
(1) W = m g Yi – m g Yf
W = Epi - Epf
En la siguente figura se muestra primero un objeto que se deja caer desde una ltura h a lo largo de un plano inclinado y luego el objeto cayendo en la direccion vertical.
En el casoen
En el caso del plano inclinado, la componente del peso que realiza trabajo es:
W sen α = m g sen α
Como sen α = de esta ecuación despejamos el valor de d; d =
El trabajop realizado por el peso es: W = F. d que reemplazando los valores de F Y d, tenemos
W = m g sen α cancelamos sen α
W = m g h
Con esto se concluye que el trabajo realizado por el PESO es independiente de que el objeto caiga verticalmente o a lo largo de un plano. Es decir que el trabajo realizado por el peso depende de la altura desde el cual cae el objeto, medida con respecto al nivel de referencia
Fuerzas como el peso para las cuales el trabajo realizado no depende de la trayectoria seguida por el objeto, sino de su estado inicial y final se denominan FUEZAS CONSEVATIVAS. Visita la siguiente pagina
POTENCIA
Las maquinas son dispositivos en los cuales no solo es importante el trabajo que pueden efectuar, sino también la rapidez con que lo realizan. Ej: considera una grúa que en 20 segundos levanta un bloque de
Ladrillos de 200Kg hasta una altura de 10m y otra que levanta la misma carga, a la misma altura pero en 10 segundos. Las dos maquinas realizan el mismo trabajo, puesto que vencen la misma fuerza y producen el mismo desplazamiento, es decir que las dos le aportan la misma energía potencial gravitacional a la carga. Sin embargo una de las dos es más potente, la segunda grúa realiza más rápido el trabajo que la primera, por tanto decimos que la segunda grúa es más potente que la primera.
LA POTENCIA (P) es el trabajo (W) desarrollado en la unidad de tiempo.
P =
La potencia indica la rapidez con que se realiza un trabajo, así cuanto mas rápida sea una maquina para realizar un trabajo, mayor será la potencia desarrollada por esta
UNIDADES DE FUERZA
[ p] = = VATIO (w)
UN VATIO equivale a la potencia de una maquina que levanta un cuerpo de 1 newton de peso una altura de 1 metro, en un segundo con rapidez constante
OTRAS UNIDADES DE POTENCIA
Como el vatio es una unidad de potencia muy pequeña, es usual expresarla en caballos de potencia (HP), que equivale a 746 vatios.
Otra unidad de potencia muy utilizada es el Kilovatio (Kw) que equivale a 1000 vatios. Esta es la potencia que suministra una grua al levantar un objeto de 100 Kg una altura de 1 metro en un segundo.
Si observas las facturas expedidas por las empresas de energía eléctricas encontramos en la columna de consumo una cifra expresada en Kwh, abreviatura de una unidad llamada el Kilovatio – hora
1 Kwh = 1 Kw x 1 h = 1000 W . 3600segundos, si reemplazamos la unidad de watio, nos queda
1 Kwh = 1000 x 3600 segundos, que al cancelar segundos
1Kwh = 36000 Julios
Lo cual significa que Potencia x tiempo = Energía Consumida
O también Potencia =
PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA
Imagina un cuerpo demasa m que cae desde cierta altura
Vamos a llamar EcB Y EpA las energia cinetica y potencial cuando el cuerpo pasa por el punto A. Tambien llamaremos EcB Y EpB las energias cineticas y otencial cuando el cuerpo pasa por el punto B.
Deacuerdo conel teorema del trabajo y la energia cinetica, el trabajo W realizado por el PESO que es en este caso la fuerza neta que actua sobre el cuerpo, esta dado por
W = EcB - EcA
Por otra parte el teorema del trabajo para la enegia potencial, esta dado por:
W = EpA – EpB
Como las dos expresiones nos proporcionan el trabajo realizado por el peso, tenemos que:
EcB – EcA = EpA – EpB haciendo transposicion de terminos tenemos que:
EmA = EmB
Para interpretar esta igualdad recordemos que el peso es una fuerza conservativa pues el trabajo que este realiza no depende de la trayectoria seguida por el cuerpo. Como en la deducción de la igualdad la única fuerza que actua es el peso, enunciamos EL PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA. En los siguientes términos
“La energía mecánica de un cuerpo permanece constante en un proceso siempre que las fuerzas que actúan sobre el cuerpo sean conservativas”
