Trabajo

7/21/2019 Trabajo

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TRABAJO

7/21/2019 Trabajo


Energía, fuerza, potencia y eficiencia

Antes de explicar el concepto trabajo según lo describe o entiende la física, haremos un repaso o un

recordatorio sobre aquella maravilla que mueve al mundo y que se denomina Energía.

Energía

Se define como energía aquella capacidad que posee un cuerpo (una masa) para realizar trabajo luego

de ser sometido a una fuerza; es decir, el trabajo no se puede realizar sin energía. Esta capacidad (la energía)

puede estar dada por la posición de un cuerpo o por la velocidad del mismo; es por esto que podemos distinguir

dos tipos de energía:

Energía potencial

Es la energía que posee un cuerpo (una masa) cuando se encuentra en posición inmóvil.

Por ejemplo, una lámpara colgada en el techo del comedor puede, si cae, romper la mesa. Mientras cuelga, tiene

latente una capacidad de producir trabajo. Tiene energía en potencia, y por eso se le llama energía potencial.

De modo general, esto significa que un cuerpo de masa m colocado a una altura h, tiene una energía potencial

calculable con la fórmula

La fórmula debe leerse como: energía potencial (Ep) es igual al producto de la masa (m) por la constante de

gravedad (g = 10 m/s2) y por la altura (h).

La unidad de medida de la energía es la misma del trabajo, el Joule.

Referido a la energía, un Joule es la cantidad de energía necesaria para levantar un kilogramo masa a una altura de

10 cm de la superficie de la Tierra.

Otra unidad de energía son las calorías. Un Joule equivale a 0,24 calorías.

Si queremos pasar de Joules a calorías tan sólo multiplicaremos la cantidad por 0,24 y en el caso contrario la

dividiremos por 0,24 obteniendo Joules.

Ejercicio de práctica:

Un libro de 2 Kg reposa sobre una mesa de 80 cm, medidos desde el piso. Calcule la energía potencial que

posee el libro en relación

a) con el piso

b) con el asiento de una silla, situado a 40 cm del suelo

Desarrollo:

Primero, anotemos los datos que poseemos:

m = 2 Kg (masa del libro)

h = 80 cm = 0,8 m (altura a la cual se halla el libro y desde donde “puede caer”)

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g = 10 m/s2 (constante de gravedad) ( en realidad es 9,8)

Respecto a la silla:

h = 40 cm = 0,4 m (la diferencia entre la altura de la mesa y aquella de la silla)

Conocemos la fórmula para calcular le energía potencial (Ep):

Entonces, resolvemos:

Caso a)

Respuesta: Respecto al piso (suelo), el libro tiene una energía potencial (Ep) de 16 Joules.

Caso b)

Respuesta: Respecto a la silla, el libro tiene una energía potencial (Ep) de 8 Joules.

Energía cinética

Es la misma energía potencial que tieneun cuerpo pero que se convierte en

cinética cuando el cuerpo se pone en

movimiento (se desplaza a cierta

velocidad).

Por ejemplo, para clavar un clavo hay

que golpearlo con un martillo, pero

para hacerlo el martillo debe tener

cierta velocidad para impactar confuerza en el clavo y realizar un trabajo,

de esto se trata la energía cinética.

Claramente, debemos notar que aquí se

ha incorporado el concepto de

velocidad.

Entonces, de modo general, un cuerpo de masa m que se mueve con velocidad v, tiene una energía cinética dada

por la fórmula

Esta fórmula se lee como: Energía cinética (Ec) es igual a un medio (1/2 = 0,5) de la masa (m) multiplicado

por la velocidad del cuerpo al cuadrado (v2).

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Ejercicio de práctica:

Un macetero de 0,5 Kg de masa cae desde una ventana (donde estaba en reposo) que se encuentra a una

altura de 4 metros sobre el suelo. Determine con qué velocidad choca en el suelo si cae.

Para resolver este problema veamos los datos de que disponemos:

Tenemos (m) la masa = 0,5 Kg

Tenemos (h) la altura desde la cual cae = 4 metros Y conocemos la constante de gravedad (g) = 10 m/s2

Con estos datos podemos calcular de inmediato la energía potencial que posee el macetero antes de caer y llegar

hasta el suelo, pues la fórmula es:

Reemplazamos lo valores en la fórmula y tenemos:

Ahora bien, esta Energía potencial (20 Joules) se ha transformado en Energía cinética desde el momento en que

el macetero empezó a caer (a moverse) hacia la tierra, donde choca luego de recorrer la distancia (altura) desde su

posición inicial (la ventana).

Por lo tanto, Energía potencial es igual a la Energía cinética, igual a 20 Joules

Ep = Ec = 20 J

Y como conocemos la fórmula para calcular la energía cinética

Reemplazamos y nos queda:

Con estos datos es claro que podremos despejar la ecuación para conocer la velocidad con la cual el macetero

llega a la tierra (choca).

(Recordemos que " = 0,5)

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Trabajo

Ahora estamos en condiciones de referirnos al concepto trabajo.

Como idea general, hablamos de trabajo cuando una fuerza (expresada en newton) mueve un cuerpo y libera la

energía potencial de este; es decir, un hombre o una maquina realiza un trabajo cuando vence una resistencia a lo

largo de un camino.

Por ejemplo, para levantar una caja hay que vencer una resistencia, el peso P del objeto, a lo largo de un camino, la

altura d a la que se levanta la caja. El trabajo T realizado es el producto de la fuerza P por la distancia recorrida d.

T = F · d Trabajo = Fuerza • Distancia

Aquí debemos hacer una aclaración.

Como vemos, y según la fórmula precedente, Trabajo es el producto (la multiplicación) de la distancia (d) (el

desplazamiento) recorrida por un cuerpo por el valor de la fuerza (F) aplicada en esa distancia y es una magnitud

escalar, que también se expresa en Joule (igual que la energía).

De modo más simple:

La unidad de trabajo (en Joule) se obtiene multiplicando la unidad de fuerza (en Newton) por la unidad de

longitud (en metro).

Recordemos que el newton es la unidad de fuerza del Sistema Internacional (SI) que equivale a la fuerza necesaria

para que un cuerpo de 1 kilogramo masa adquiera una aceleración de un metro por segundo cada segundo (lo

mismo que decir “por segundo al cuadrado”). Su símbolo es N.

Por lo tanto, 1 joule es el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton al desplazar un objeto, en la dirección de lafuerza, a lo largo de 1 metro.

Aparece aquí la expresión “dirección de la fuerza” la cual puede ser horizontal. oblicua o vertical respecto a la

dirección en que se mueve el objeto sobre el cual se aplica la fuerza.

En tal sentido, la “dirección de la fuerza” y la “dirección del movimiento” pueden formar un ángulo (o no formarlo si

ambas son paralelas).

Si forman un ángulo (!), debemos incorporar ese dato en nuestra fórmula para calcular el trabajo, para quedar así:

Lo cual se lee: Trabajo = fuerza por coseno de alfa por distancia

OJO: El valor del coseno lo obtenemos usando la calculadora.

Si el ángulo es recto (90º) el coseno es igual a cero (0).

Si el ángulo es Cero (fuerza y movimiento son paralelos) el coseno es igual a Uno (1).

Nota:

En la fórmula para calcular el trabajo, algunos usan la letra W en lugar de T.

Así: W = F • cos# • d

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Energía cinética final

Una variante para calcular el trabajo la tenemos cuando conocemos la Energía cinética final (Ecf) y conocemos la

Energía cinética inicial (Eci) utilizando el Teorema trabajo-energía, expresado en la fórmula:

T ="m vf 2 –"m vi

2 = Ecf – Eci = $Ec (variación de energía cinética)

Que simplificada queda

T = Ecf – Eci

T = trabajo entre la posición final y la posición inicial

Ecf = energía cinética final

Eci = energía cinética inicial

Usando esta fórmula, si conocemos el trabajo realizado y tenemos una de las energías cinéticas, se puede calcular

la otra energía cinética.

Cuando la rapidez es constante, no hay variación de energía cinética y el trabajo de la fuerza neta es cero

El baúl de la figura es arrastrado en una distancia horizontal de 24 m por una cuerda que forma un ángulo de 60º

con el piso. Si la tensión en la cuerda es de 8 N, ¿Cuál es el trabajo realizado por la cuerda?

La fuerza no está en dirección al desplazamiento, pero tiene una componente paralela a él, que es igual a:

F = (8 N) cos 60º

Y el trabajo es igual a:

W = F*d = ((8 N) cos 60º )*(24 m) = 96 J

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ACTIVIDADES

1.- Un automovilista empuja su averiado vehículo de 2

toneladas desde el reposo hasta que adquiere cierta rapidez (velocidad);

para lograrlo, realiza un trabajo de 4.000 Joules durante todo el proceso. En

ese mismo tiempo el vehículo avanza 15 metros.

Desestimando la fricción entre el pavimento y los neumáticos, determine:

1) La rapidez (velocidad) V

2) La fuerza (F) horizontal aplicada sobre el vehículo

Desarrollo:

Veamos los datos que tenemos:

Masa del vehículo = 2 toneladas (2.000 Kg)

Trabajo efectuado (T o W) = 4.000 Joules

Fuerza aplicada (F) = por calcular

Velocidad inicial (Vi) = 0

Velocidad final

(Vf) = por calcularDistancia recorrida (d) = 15 metros

2.- ¿Qué requiere más trabajo: subir un bulto de 420 N a una colina de 200 metros de altura, o un bulto de 210 N a una

colina de 400 metros de altura? (no consideramos el ángulo de aplicación de la fuerza, que para ambos caso el mismo).

3.- Un remolcador ejerce una fuerza paralela y constante de 4.000 N sobre un barco y lo mueve una distancia de 15 m a través

del puerto. ¿Qué trabajo realizó el remolcador?

4.- Un remolcador ejerce una fuerza paralela y constante de 4.000 N sobre un barco y lo mueve una distancia de 15 m a través

del puerto. ¿Qué trabajo realizó el remolcador?

Datos:

F = 4.000 N

d = 15 m

T = x

5.- Un rifle dispara una bala de 4,2 g con una rapidez de 965 m/s.a) Encuentre la energía cinética de la bala.

b) ¿Cuánto trabajo se realiza sobre la bala si parte del reposo?

c) Si el trabajo se realiza sobre una distancia de 0,75 m, ¿cuál es la fuerza media sobre la bala?

Desarrollo:

Recordemos que la unidad de medida de la energía es la misma del trabajo, el Joule.

Anotemos los datos que tenemos:

masa de la bala = 4,2 g = 0,0042 Kg

rapidez de la bala = 965 m/s

distancia = 0,75 m

6.- Un vagón de 15 Kg se mueve por un corredor horizontal con una velocidad de 7,5 m/s. Una fuerza constante de 10 N actúa

sobre el vagón y su velocidad se reduce a 3,2 m/s.

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a) ¿Cuál es el cambio de la energía cinética del vagón?

b) ¿Qué trabajo se realizó sobre el vagón?

c) ¿Qué distancia avanzó el vagón mientras actuó la fuerza?

Tenemos los siguientes datos:

masa = 15 Kg

Velocidad inicial = 7,5 m/sFuerza aplicada = 10 N

Velocidad final = 3,2 m/s

7.- Indicar el trabajo necesario para deslizar un cuerpo a 2 m de su posición inicial mediante una fuerza de 10 N.

8.- Qué trabajo realiza un hombre para elevar una bolsa de 70 kgf a una altura de 2,5 m?. Expresarlo en:

a) kgf.m

b) Joule

c) kW.h

9.- Un cuerpo cae libremente y tarda 3 s en tocar tierra. Si su peso es de 4 N, ¿qué trabajo deberá efectuarse para elevarlo

hasta el lugar desde donde cayo?. Expresarlo en:

a) Joule.

b) kgm.

10.- Un proyectil que pesa 80 kgf es lanzado verticalmente hacia arriba con una velocidad inicial de 95 m/s. Se desea saber:

a) ¿Qué energía cinética tendrá al cabo de 7 s?.

b) ¿Qué energía potencial tendrá al alcanzar su altura máxima?.

vf = v0 - g.tEc = #.m.v$

h=- v0$/2.g

Ep = m.g.h

Ec1 = #.m.v1$

11.- ¿Qué energía cinética alcanzará un cuerpo que pesa 38 N a los 30 s de caída libre?.

vf = g.t

Ec = #.m.v$

12.- ¿Qué energía cinética alcanzará un cuerpo de masa 350 kg si posee una velocidad de 40 m/s?.Ec = #.m.v$

13.- ¿Con qué energía tocará tierra un cuerpo que pesa 2500 g si cae libremente desde 12 m de altura?.

Ep1 = m.g.h

14.- ¿Qué energía potencial posee un cuerpo de masa 5 kg colocado a 2 m del suelo?.

Ep = m.g.h

15.- Sabiendo que cada piso de un edificio tiene 2,3 m y la planta baja 3 m, calcular la energía potencial de una maceta que,

colocada en el balcón de un quinto piso, posee una masa de 8,5 kg.

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