Trabajo y energía

En esta presentación: Se explorarán los conceptos de energía y

transferencia de energía. Se estudiarán los principios de conservación de

energía y eficiencia de transferencia de energía.

Trabajo y energía

En esta presentación se estudiarán los conceptos de energía, fuerza, trabajo y potencia, y también se analizarán los principios de transferencia y conservación de energía y la eficiencia energética.

El concepto de energía es utilizado en todas las ramas de la ciencia. Cotidianamente asociamos energía con cosas como combustibles, electricidad o comida. Sin embargo, estas ideas no permiten definir por sí solas lo que es la energía.

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Trabajo y energía

Energía y máquinas

Las máquinas facilitan la realización de trabajo. Las máquinas mecánicas simples alcanzan este objetivo mediante las siguientes funciones:

• Transferencia de una fuerza de un punto a otro.

Para entender el concepto de energía debemos revisar primero dos definiciones importantes: fuerza y trabajo.

Para lograr que una máquina simple funcione, se requiere de una fuente de energía, de modo que ésta pueda realizar la transferencia de energía.

• Cambio de la dirección de una fuerza.

• Incremento de la magnitud de una fuerza.

• Aumento de la distancia recorrida o la velocidad del punto de aplicación de una fuerza.

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Trabajo y energía

Si una fuerza neta es aplicada a un objeto, éste acelerará.

Fuerza

Según la segunda ley de Newton:

La aceleración de un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza que actúa sobre él, e inversamente proporcional

a su masa.

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mayor fuerza (igual masa) =mayor aceleración

Aceleración Aceleración

Fuerza Fuerza

mayor masa (igual fuerza) = menor aceleración

Aceleración

Fuerza Fuerza

Aceleración

Trabajo y energía

La segunda ley de Newton se expresa mediante la ecuación:

Ecuación de fuerza

donde F es la fuerza en newtons, m la masa en kilogramos y a la aceleración en m/s2.

La fuerza se mide en newtons. Un newton es la fuerza requerida para acelerar una masa de 1 kilogramo a una razón de 1 metro por segundo cada segundo (m/s2).

F = m a

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Aceleración 1 m/s2

Fuerza 1 NMasa

1 kg

a = F/m

2.66 m/s2

1.33 m/s2

4000 N

4000 N

1500 kg3000 kg

Trabajo y energía

1

¿Cuál de las siguientes situaciones es cierta si se duplica la única fuerza aplicada a un objeto?

Pregunta

A) Su aceleración se duplica.

B) Su aceleración se reduce a la mitad.

C) Su masa se duplica.

D) Su masa se reduce a la mitad.

Trabajo y energía

Una fuerza que experimentamos continuamente es la gravedad. Todos estamos familiarizados con el término peso, que es la fuerza que la tierra ejerce sobre los objetos.

Fuerza de gravedad

Científicamente, el peso se mide en newtons (ya que es una fuerza), como F = m a, el peso es igual a la masa del cuerpo en kilogramos, multiplicado por la aceleración de gravedad, que es de aproximadamente 9.8 m/s2.

Si un libro tiene una masa de 2 kilogramos su peso será:2 kg × 9.8 m/s2 = 19.6 newtons (N).

Si una única fuerza actuara continuamente sobre un objeto, éste aceleraría constantemente (se movería cada vez más rápido), para siempre, a menos que otra fuerza se opusiera a ese movimiento.

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2 kg

× =9.8

m/s2

19.6 N

Trabajo y energía

2

La gravedad de la Luna es mucho menor que la de la tierra. Si un objeto tiene una masa de 2 kilogramos en la tierra, ¿cómo sería su masa en la Luna?

Pregunta

A) Menor ya que la gravedad de la Luna es más pequeña.

B) Mucho mayor ya que la gravedad en la Luna es mucho menor.

C) Sería la misma ya que la gravedad afecta el peso y no la masa.

D) La misma ya que la gravedad afecta la masa, no el peso.

Trabajo y energía

TRABAJO =

FUERZA

Se realiza un trabajo cuando una fuerza desplaza un objeto una determinada distancia.

Trabajo

Por lo tanto, la cantidad de trabajo realizado (identificado con la letra w) dependerá de la magnitud de la fuerza aplicada sobre el objeto, y de la distancia que éste se desplace en la misma dirección que la fuerza.

donde W es la cantidad de trabajoen joules (J), F es la fuerza en newtons y d es la distancia en metros.

W = F d

Trabajo = fuerza × distancia recorrida en dirección a la fuerza

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TRABAJO =

Distancia recorrida

Fuerza

Trabajo y energía

Fuerza elevadora

Levantar del piso una masa es un ejemplo sencillo de trabajo.

Ejemplos de trabajo

Desplazamiento

Para levantar una masa se debe aplicar una fuerza elevadora que contrarreste la fuerza de gravedad que actúa sobre la masa (su peso) para crear un movimiento vertical y por ende un desplazamiento.

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Peso

Trabajo y energía

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Un libro de 15 N de peso es levantado del piso y colocado en una repisa que esta 2 m de altura del piso. ¿Cuánto trabajo se realiza para levantar el libro?

Pregunta

A) 60 J

B) 30 J

C) 17 J

D) 0 J

15 N

2 m

Trabajo y energía

Ejemplos de trabajo

Los ciclistas también realizan un trabajo, ya que para mantenerse en movimiento tienen que ejercer fuerzas que les permiten vencer la fricción en los rodamientos y resistencia al avance producida por el aire.

A medida que el ciclista asciende hasta alcanzar el punto más alto, va acumulando energía (potencial) debido al trabajo realizado, la cual lo ayudará a bajar la pendiente.

Cuando un ciclista sube una cuesta, se requiere un trabajo adicional en contra de la fuerza de gravedad.

Trabajo y energía son dos conceptos íntimamente relacionados.

Resistencia del aire

Fricción

Fuerza necesaria para vencer la

resistencia del aire y la fricción

Normal

Peso

Fuerza necesaria para vencer el peso

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Trabajo y energía

F1

F2

d1

d2

Si ignoramos el trabajo perdido debido a la fricción y las ineficiencias de la máquina, la cantidad de trabajo producido por una máquina es igual la cantidad de trabajo aplicado a la misma.

Trabajo y máquinas

dondeF1 = fuerza aplicada, F2 = fuerza de salida, d1 = distancia vertical

que se desplazael punto donde se aplica la fuerza,

d2 = distancia vertical que se mueve la carga.

F1 × d1 = F2 × d2

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Trabajo y energía

Energía es la capacidad derealizar un trabajo. La unidadde energía es el joule (J), quees el trabajo realizado cuandouna fuerza de 1 newton (N) mueve un objeto una distancia de 1 metro, de modo que 1 J = 1 Nm.

Energía mecánica

Hay dos tipos principales de energía mecánica: la energía potencial y la energía cinética.

Existen otras formas de energía, entre ellas están las energías eléctrica, química, interna (térmica), luminosa, magnética, sonora y nuclear.

Energía mecánica = F d

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Fuerza 1 N

1 joule (J) =

Distancia 1 m

Fuerza 1 N

1 joule (J) =

Trabajo y energía

La energía potencial (EP) es la energía que posee un cuerpo o sistema debido a su posicióno condición.

Energía potencial

Una pesa levantada, un resorte comprimido, una batería cargada o un ciclista en la cima de una montaña, son casos en los que existe energía potencial.

La energía potencial puede entenderse como la capacidad que posee un cuerpo de realizar un trabajo en algún momento futuro.

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Trabajo y energía

Los campos gravitacionales ejercen fuerzas que generan energía potencial gravitacional.

Energía potencial gravitacional

Donde: • EPG es la energía en joules (J)• m es la masa en kilogramos (kg)• g es la aceleración de gravedad

(9.8 m/s2) • h es la altura en metros (m) respecto

al nivel de referencia seleccionado.

Recuerda que: masa × aceleración de gravedad = peso.

EPG = m g h

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Aceleración debida a la gravedad

Altu

ra

La energía potencial gravitacional puede calcularse usando la ecuación:

Trabajo y energía

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De los siguientes, ¿cuál es un ejemplo de utilización de la energía potencial gravitacional?

Pregunta

A) Una batería cargada.

B) Un resorte estirado.

C) Una banda de goma estirada.

D) Un embalse con su represa.

Trabajo y energía

Energía cinética es la energía de una masa en movimiento.

Energía cinética

donde EC es la energía cinética en joules (J), m es la masa en kilogramos (kg) y v es la velocidad en metros por segundo (m/s).

Mientras mayor sea la masa o la velocidad a la que dicha masa se mueve, mayor será la cantidad de energía cinética.

Ésta puede calcularse usando la ecuación:

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Ec = 30000 J

20 m/s

1500 kg3000 kg

20 m/s

Ec = 60000 J

21Ec= mv

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Trabajo y energía

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¿Cuál de los siguientes objetos posee energía cinética?

Pregunta

A) El agua que desciende en una represa.

B) Un resorte contrayéndose.

C) Un libro que cae de una repisa.

D) Todos los anteriores.

Trabajo y energía

Los circuitos eléctricos obtienen la energía eléctrica de una fuente de alimentación (batería, toma eléctrica, etc.).

Energía eléctrica

Cuando los electrones circulantes realizan un trabajo se produce una transferencia de energía.

La cantidad de energía depende de la velocidad y el número de electrones que circulan en dicho circuito.

Medimos la energía entregada (trabajo realizado) por esos electrones en términos de “joules por coulomb de carga” o voltios, que es la diferencia de potencial (energía).

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Trabajo y energía

Los motores de combustión, eléctricos y muchas otras máquinas son utilizadas para realizar trabajos y transformar energía de un tipo a otro (de cinética a potencial o de eléctrica a mecánica, por ejemplo). Este proceso se conoce como transferencia de energía.

Transferencia de energía

La figura muestra una batería y un motor. El motor convierte la energía eléctrica suministrada por la batería en energía mecánica cinética útil, que puede usarse para girar o levantar una carga.

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Energía eléctricaEnergía cinética

Los motores eléctricos transforman la energía eléctrica en energía mecánica de sus piezas móviles, pero también producen energía interna no deseada que calienta dichas partes en movimiento.

Trabajo y energía

Energía eléctrica

Energía cinética

Motor

La energía eléctrica utilizada por el motor puede calcularse usando la ecuación:

De eléctrica a mecánica

Si V es el voltaje aplicado al motor en voltios, I es la corriente que fluye por el motor en amperios yt es el tiempo en segundos que el motor está encendido, entonces la energía eléctrica quedará expresada en joules.

Energía eléctrica = V × I × t

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Trabajo y energía

La ley de la conservación de la energía es una de las leyes fundamentales de la física.

Conservación de la energía

La misma establece que la energía no se crea ni se destruye, pero puede transformarse de una a otra forma.

Por lo tanto, la cantidad total de energía de cualquier sistema o grupo de sistemas aislados se mantiene constante.

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Ene

rgía

de e

ntra

da

Energía aprovechada

Energía desperdiciada

Trabajo y energía

Conservación de la energía

Si durante una transferenciade energía parece haberse “perdido” parte de ésta, es porque una fracción de ella se transforma en energía sin utilidad, como el calor.

La energía está siendo constantemente transformada de una a otra forma. Durante esas transformaciones se desperdicia algo de energía, por ejemplo, en forma de calor o ruido.

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Ene

rgía

de e

ntra

da

Energía aprovechada

Energía desperdiciada

Trabajo y energía

6

La ley de la conservación de la energía establece que:

Pregunta

A) Una máquina es un dispositivo que aumenta la energía de un sistema.

B) Toda la energía entregada por una máquina es aprovechada.

C) La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

D) La energía se transforma siempre de potencial a cinética.

Trabajo y energía

1000

J

50 J

950 J

La eficiencia energética de un sistema es el porcentaje de energía suministrada que éste transforma en energía útil.

Eficiencia

Por lo tanto, mientras menor sea la cantidad de energía desperdiciada, mayor será la eficiencia del sistema.

En un sistema motor-batería:

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energía transferida a la cargaeficiencia = ×100%

energía suministrada al motor

energía útil transformada por el dispositivoeficiencia = ×100%

energía suministrada al dispositivo

Trabajo y energía

Si la batería proporciona 1000 J de energía eléctrica, y el motor produce 950 J de energía mecánica, la eficiencia del motor en la conversión de energía eléctrica en mecánica es de 95%.

Eficiencia de un motor

Los otros 50 J de energía eléctrica habrán sido convertidos en diferentes formas de energía indeseadas, tales como energía calórica y sonora.

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Energía total = 1000 J (100%)

Energía desperdiciada = 50 J (5%)

Energía útil = 950 J (95%)

Trabajo y energía

La potencia se define normalmente como la cantidad de trabajo que un dispositivo realiza por unidad de tiempo. En otras palabras, la razón a la cual convierte la energía de una forma a otra.

Potencia y energía

donde el trabajo se expresa en joules (J) y el tiempo en segundos (s).

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DistanciaDistancia

Trabajo =1000 J

t = 20 s

trabajo realizadoPotencia =

tiempo utilizado

La potencia se mide en joules por segundo o vatios (W).

Trabajo y energía

Potencia y energía

Si la energía eléctrica = trabajo realizado = V × I × t , y la potencia = trabajo realizado / tiempo utilizado,

P = I V

entonces, al combinar ambas fórmulas se obtiene la relación: potencia en vatios = corriente en amperios × voltaje en voltios.

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Trabajo y energía

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¿Cuál de las siguientes expresiones define correctamente potencia?

Pregunta

A) La velocidad con la que un dispositivo puede realizar un trabajo.

B) La fuerza utilizada por un dispositivo para realizar un trabajo.

C) La energía utilizada por un dispositivo para realizar un trabajo.

D) La eficiencia de un sistema en la transferencia de energías.

Trabajo y energía

Conocer y comprender los conceptos de energía y transformación de energía.

Ser capaz de realizar cálculos de fuerza, trabajo y energía.

Comprender el principio de la conservación de la energía.

Al completar esta presentación, deberías ser capaz de:

Resumen

Comprender el concepto de potencia.

Fin >