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TEMA 5 “TRABAJO, POTENCIA Y ENERGIA” 1. TRABAJO Y ENERGIA.

No debemos confundir esfuerzo muscular con trabajo. Cuando aplicamos una fuerza, hacemos un esfuerzo muscular.Podemos decir que se realiza trabajo, cuando la fuerza aplicada produce un desplazamiento, en la dirección de ésta.

El chico del margen esta aplicando una fuerza cuando sostiene

la maleta, pero no realiza trabajo, porque no se desplaza. Tampoco debemos confundir el concepto de energía. Los

cuerpos no poseen energía. Cuando decimos que alguien esta lleno de energía, queremos decir que tiene capacidad para trabajar.

En física se define “Energía”, como la capacidad que tienen los cuerpos para

producir transformaciones, como por ejemplo, realizar un trabajo. Cuando un cuerpo realiza un trabajo, pierde energía, que es ganado por el cuerpo sobre el que se realiza el trabajo. La variación de energía que ha tenido lugar es igual al trabajo realizado.

Trabajo = Variación de energía

2. TRABAJO REALIZADO POR UNA FUERZA CONSTANTE.

El trabajo mide la cantidad de energía que se pone en juego en un determinado proceso. Se realiza un trabajo cuando al aplicar una fuerza, se produce un desplazamiento en la dirección de esta. Hay que destacar dos factores:

1. Sin desplazamiento no hay trabajo. 2. El desplazamiento tiene que producirse en la dirección de la fuerza (el

sentido puede ser el mismo u opuesto). Si el desplazamiento es perpendicular a la fuerza no se realiza trabajo.

Definimos por tanto el trabajo, como el producto de la fuerza por el

desplazamiento efectuado, si la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección:

= ×

= ∙ ∆

Donde F, es la fuerza neta o resultante de todas las fuerzas y Δx es el desplazamiento que sufre el cuerpo.

En el SI, la unidad utilizada para medir el trabajo es el julio (J).

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3. CONCEPTO DE POTENCIA.

La potencia nos indica la rapidez con que se realiza un trabajo. Un aparato que permite realizar y aprovechar trabajo, es más potente que otra si

tarda menos tiempo en realizar un mismo trabajo. La relación entre potencia, trabajo realizado y tiempo invertido se puede expresar de la siguiente forma:

=

=

La unidad de la potencia en el SI es el vatio (W), que se define como la potencia necesaria para realizar un trabajo de un julio en un segundo.

El vatio es una unidad mu pequeña; por eso, con frecuencia se utiliza un

múltiplo, el kilovatio (Kw), que equivale a 1000 W.

3.1. Potencia y rendimiento. Las maquinas no rinden al 100 %, por tanto hay una potencia real y una potencia

teórica.

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Según las características de la maquina, debe tener una potencia (teórica) pero debido a los rozamientos, vibraciones, calentamiento, etc., hay perdidas de potencia, por tanto, en realidad la potencia (real) es menor; para medir esta perdida de potencia se define el rendimiento.

=

∙ 100

3.2. Otras unidades de trabajo y potencia.

Unidad de trabajo: Se emplea con mucha frecuencia como unidad del

trabajo el kilovatio por hora (kW·h). Un kilovatio por hora equivale a tres millones seiscientos mil julios. 1 kW·h = 3,6 · 106 Julios.

Unidad de potencia: James Watt, ingeniero escocés que inventó la

maquina de vapor, definió como unidad de potencia el caballo de vapor (CV). Un caballo de vapor equivale a 736 W.

4. ENERGIA MECANICA.

La energía mecánica, Em, suele estar asociada, la mayoría de las veces con maquinas y movimientos. Esta forma de energía se estudia bajo dos aspectos: energía cinética y la energía potencial.

4.1. Energía cinética.

La energía cinética se define como la capacidad para efectuar un trabajo por medio del movimiento y depende de la masa del cuerpo, m, y de su velocidad, v.

La energía cinética se calcula usando la siguiente expresión matemática:

= 12

∙ ∙

La energía cinética se expresa en unidades de trabajo, en julios (J). Relación entre el trabajo y la variación de la energía cinética.

La variación de la energía cinética es igual al trabajo realizado por la resultante

de todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo:

Trabajo = Variación de la energía cinética

= ∆ = −

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4.2. Energía potencial.

La energía potencial es la que posee un cuerpo por encontrarse a una determinada altura.

La energía potencial se calcula usando la siguiente expresión matemática:

= ∙ ∙ ℎ

La energía potencial se expresa en unidades de trabajo, en julios (J). La variación de la energía potencial también es igual al trabajo realizado:

Trabajo = Variación de la energía potencial

= ∆ = − 5. LA ENERGIA MECANICA SE TRANSFORMA Y SE CONSEVA.

La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial.

= +

La energía mecánica se conserva, es decir, permanece constante en cualquier punto.

=

+ = +

Esta es la expresión matemática del principio o ley de conservación de la energía mecánica.

6. LA ENERGIA TOTAL SE TRANSFORMA Y SE CONSERVA.

Si consideramos la suma de todas las formas de energía como energía total, el

principio de conservación de la energía puede enunciarse de la siguiente manera:

“La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma; es decir, en todos los procesos existe intercambio de energía, pero la energía total se mantiene constante”.

La energía puede transformarse de unas formas en otras, sin embargo, siempre permanece constante, como podemos ver en los siguientes ejemplos:

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7. LAS MAQUINAS. Las maquinas son dispositivos o conjuntos de piezas que transmiten fuerzas, y al

mismo tiempo, consiguen algunos de los siguientes efectos:

1. Varían la intensidad de las fuerzas transmitidas. 2. Modifican su dirección. 3. Transforman un tipo de energía en otro.

7.1. La palanca.

La palanca pertenece al primer tipo, es decir, varia la intensidad de la fuerza

transmitida. En la palanca podemos distinguir tres elementos fundamentales:

El punto donde se aplica la fuerza motriz o potencia (FM). El punto donde esta aplicada la fuerza resistente o resistencia (FR). El punto de apoyo o fulcro.

También pueden distinguirse los siguientes elementos: Brazo de la fuerza motriz (a). Brazo de la resistencia (b).

Según la posición del fulcro, de la fuerza motriz y de la resistencia, se diferencian tres tipos de palancas:

El equilibrio de la palanca requiere que el trabajo de la fuerza motriz sea igual al

trabajo de la fuerza resistente:

Por tanto:

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7.2. Las poleas. Las poleas son ruedas que se utilizan para elevar cuerpos mediante cuerdas o

cadenas móviles que transmiten una fuerza. Podemos distinguir diferentes sistemas de poleas:

Polea fija: Se comporta como una palanca de primer género, luego la utilización de esta no afecta a la fuerza ejercida. Su única función es cambiar la dirección y el sentido de la misma. La ley de dicha maquina se enunciara de la siguiente forma:

Polea móvil: Es un conjunto de dos

poleas, una de las cuales se encuentra fija, mientras que la otra puede desplazarse linealmente. Si aplicamos la ley para esta máquina, la potencia necesaria es igual a la mitad de la resistencia:

Con dos poleas, el peso se reparte entre las dos ramas de la cuerda, de manera que la fuerza motriz o potencia disminuye.

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FORMULARIO Trabajo = ∙ ∆

Potencia =

Rendimiento =

∙ 100 Energía cinética = ∙ ∙

Energía potencial = ∙ ∙ ℎ

Trabajo = Variación de la energía cinética

= ∆ = −

Trabajo = Variación de la energía potencial

= ∆ = −

Energía mecánica se conserva: =

+ = +