Trabajo, Potencia y Energía.

Trabajo.

 Las nociones de trabajo y energía por intervenir en todas las partes del estudio de la física se consideran como los conceptos más trascendentales de que se ocupa esta ciencia.

El concepto físico de trabajo difiere fundamentalmente de la idea común que del se tiene. En el lenguaje popular o corriente la expresión trabajo se aplica a cualquier esfuerzo físico o mental que se hace en orden a producir un determinado resultado. Así por ejemplo, cuando una persona intenta levantar una piedra sin lograrlo, se dice que ha trabajado mucho y a los estudiantes se les oye decir: me costó mucho trabajo leer la lección de geografía.

En toda idea de trabajo intervienen siempre como elementos una fuerza, un cuerpo, o punto material a que se aplica y un efecto obtenido que se manifiesta por un desplazamiento del punto o cuerpo en la dirección de la fuerza aplicada; son efectos de trabajo mecánico: empujar una nevera para cambiarla de sitio, levantar un ladrillo para colocarlo sobre una mesa, arrastrar una caja, etc., en cada uno de los anteriores ejemplos hay que fijarse en dos cosas primero, que la persona que realiza el trabajo ejerce una fuerza; de conformidad con lo expuesto, el trabajo podría definirse como: el esfuerzo producido por una fuerza, cuando se mueve en el punto material a que se aplica en la dirección de ella.

Noción suele decirse que hay trabajo, siempre que una fuerza produce algún movimiento; siempre que se desplaza el punto de aplicación de alguna fuerza. Hay trabajo, cuando un obrero tira de un cable y levanta un bloque de piedra. No hay trabajo aunque si fuerza, cuando el bloque de piedra permanece colgado toda la noche.

Subir un ladrillo desde el sótano hasta el primer piso de una casa, es un cierto trabajo, subirlo hasta el segundo piso se considera doble trabajo; y hasta el tercero triple trabajo. También se considera que el trabajo es tanto mayor en cuanto más ladrillos halla que subir. Subir 10 ladrillos un piso equivale a subir 10 pisos con un ladrillo o a subir con 5 ladrillos dos pisos.

El trabajo físicamente considerado, es una magnitud directamente proporcional a la fuerza, y al espacio recorrido por el punto de aplicación de dicha fuerza en su misma dirección.

Trabajo positivo y negativo. Se considera como positivo el trabajo hecho por una fuerza cuyo punto de aplicación se desplaza en su misma dirección y sentido; y como negativo, el trabajo hecho por una fuerza cuyo punto de aplicación se desplaza en su misma dirección pero en sentido contrario. Los negativos son trabajos resistentes; los positivos son trabajos motores.

Puesto que no puede existir una fuerza sin que haya otra igual y opuesta a ella, es claro que a todo trabajo motor corresponde siempre un trabajo resistente de igual valor absoluto. La suma de los trabajos positivos y negativos es siempre cero. El trabajo resistente no puede existir sino en tanto en cuanto exista un trabajo motor.

Ø Factores de Trabajo.

Se deduce que el trabajo mecánico está determinado por la intervención de dos factores:

·          Intensidad de la fuerza aplicada.

·          Desplazamiento en la dirección de la fuerza

Cuando se elevan cuerpos de diferente peso a una altura común, el trabajo mayor se realiza cuanto mayor sea el peso del cuerpo y en igualdad de pesos el valor del trabajo depende en forma directa de la altura lo anterior significa que el valor del trabajo depende en forma directa de los factores fuerza y desplazamiento; por tanto, su expresión será:

Trabajo = fuerza x distancia

W = F x s

La ecuación dimensional del trabajo será pues:

M x L x L

W = = ML²-²

T²

Ø Unidades de Trabajo.

Sistema C.G.S.................................................................... Ergio

Sistema M.K.S.................................................................... Julio

·          Ergio: Es el trabajo efectuado por la fuerza de una DINA, cuando el punto material a que se le aplica, se desplaza un metro.

·          Julio: Es el trabajo efectuado por la fuerza de un Newton, cuando el punto material a que se le aplica, se desplaza un metro.

Como unidad secundaria de trabajo existe también el kilogrametro o sea el trabajo realizado por la fuerza de un kilogramo a lo largo de un metro de distancia. Se aclara que el kilogramo no es la unidad que corresponda a ninguno de los sistemas de unidades que hemos venido empleando y que más bien es la unidad industrial de trabajo.

Movimiento y trabajo. Conviene anotar que no puede darse el caso de trabajo real sin movimiento; pero si, el movimiento sin trabajo, al menos en teoría. En la práctica se da el caso de movimiento con muy poco trabajo.

Sobre un plano perfectamente horizontal, y sin rozamiento, bastaría el más leve impulso para dar a una esfera cierta velocidad, la cual, por la inercia, se conservaría indefinidamente, sin ningún trabajo. Hubo si, un trabajo, mientras obro la fuerza del impulso inicial pero después, ya no hay trabajo. Lo mismo sucede en el movimiento circular; pues, de hecho no hay desplazamiento del móvil, (que es donde está el punto de aplicación de la fuerza) en dirección radial.

Potencia.

En el valor de trabajo mecánico realizado por el Hombre o por una máquina, el factor tiempo no tiene ninguna influencia, o sea que el trabajo que el trabajo es independiente del tiempo empleado para efectuarlo.

Así por ejemplo, para elevar 200 ladrillos a 5 mts de altura el trabajo que realiza no cambia de valor así se emplee en la mencionada operación dos horas dos días o dos meses. Sin embargo en la actividad industrial no solo es necesario realizar cierta clase de trabajos, sino que es indispensable tener en cuenta el tiempo durante el cual el trabajo debe ser realizado a quien construye una casa o eleva agua con una bomba, no solo le interesa efectuar el trabajo propiamente enunciado, sino que es indispensable tener en cuenta el tiempo durante el cual el tiempo debe ser terminado.

Si dos personas o maquinas realizan el mismo trabajo (elevar 200 litros de agua a 10 mts de altura) empleando cada una de ellas diferente tiempo, física mente se le califica diciendo que tienen distancia potencia; si por ejemplo si una persona emplea la mencionada operación dos horas y la otra cinco horas, la primera tiene mayor potencia que la segunda.

Noción. Levantar un Kg. del suelo a la mesa, es trabajo que puede hacer un hombre en un segundo, y una hormiga en varias horas por esto es que se dice que el hombre tiene más fuerza que una hormiga.

Así, cuando se trata de las maquinas, y de un mismo trabajo, se aprecia como el doble de la potencia que lo ejecuta en la mitad del tiempo, se llama doble o triple la potencia que ejecuta un trabajo doble o triple.

Definición. Potencia es una magnitud directamente proporcional al trabajo, e inversamente proporcional al tiempo correspondiente.

La potencia de un mecanismo es un concepto muy importante pues en un motor, por ejemplo lo que interesa no es la cantidad total de trabajo que puede hacer hasta que se descomponga sino la rapidez con la que pueda entregar el trabajo ósea el trabajo que puede hacer en cada unidad de tiempo, que es precisamente la potencia.

TRABAJO W

POTENCIA = P =

TIEMPO t

F x s

COMO W = F x s P = T

Ø Unidades de Potencia.

Siendo la potencia, el trabajo realizado en la unidad de tiempo, se tendrán como sus unidades.

Sistema C.G.S..................................................... ergio/seg

Sistema M.K.S..................................................... julio/seg = watio

Como unidades secundarias de potencia, se emplean:

Kilográmetro/segundo......................................... kmg/seg

El HP................................................................... 75 kgm/seg

El kilo-watt.......................................................... 1000 watios

·          El vatio: es la potencia necesaria para realizar el trabajo de un julio, en un segundo. Es la unidad del sistema0020práctico, usual también en medidas eléctricas. 1 kilovatio=1000 w =1,36 H.P.

·          El kilogramo por Segundo: es la unidad de potencia en el sistema técnico. Es la potencia necesaria para hacer el trabajo de 1 Kgr. Durante un segundo. Prácticamente, es la potencia que se emplea para levantar un Kg. a un metro de altura, en un segundo.

El caballo de vapor, británico, se definió como igual a 33.000 footpounds por el minuto, ósea 550 pies-libra por segundo. El caballo de vapor, métrico, se define como igual a 75 Kg. /s, y así, es la potencia necesaria para elevar, en un segundo, 75 Kg. A un metro de altura.

Energía.

Se entiende por energía la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Como consecuencia de este concepto la energía de un cuerpo o sistema se mide por el trabajo que el cuerpo o sistema realice. La energía que es una puede presentarse bajo diferentes formas como: energía química, luminosa, sonora, mecánica, radiante, nuclear, etc...

El análisis de la energía ha sido uno de los temas más apasionantes en la evolución de la ciencia, ya que ningún problema de la física puede desligarse de ella.

Definición. La palabra energía representa a todo lo que es trabajo, o que puede convertirse en trabajo. Un cuerpo, o un sistema de cuerpos poseen energía cuando es capaz de desarrollar algún trabajo.

Se divide la energía en actual y potencial. Energía actual es la que de hecho aparece como trabajo. Tal es la del agua que mueve una turbina; o la de una bomba que estalla. Energía potencial es la que no se está convirtiendo en trabajo real, pero puede convertirse en él; como la de un resorte comprimido, la de una nube electrizada; o la del agua en una represa.

 La Energía Mecánica , suele estar asociada, la mayoría de las veces, con máquinas y movimientos; Como formas de energía mecánica, que es nuestro punto directo a estudiar, se conocen:

- Energía cinética

- Energía potencial

Ø Energía Cinética.

Es la capacidad que poseen los cuerpos en movimiento para producir un trabajo; como ejemplos de esta clase de energía podemos citar. Corriente de agua o aire, proyectil disparado, tren en marcha, ciclistas en carrera, etc...

Supongamos que aplicamos una fuerza a un cuerpo de masa m que está en reposo, el cuerpo se acelera, gana velocidad y recorre una cierta distancia, se hace un trabajo sobre este, el cual se manifiesta en forma de Energía Cinética . Si la fuerza continua actuando sobre el cuerpo, se hace también sobre este un trabajo, que se transforma también en energía cinética.

è Calculo de Energía Cinética.

Imagina que a un cuerpo en reposo le aplicamos una fuerza F, durante un tiempo, t; el cuerpo se desplaza una distancia, s.

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 expresa en unidad de trabajo (J) Julios

è Relación entre Trabajo y Variación de Energía Cinética.

Al aplicar un trabajo sobre un cuerpo que está en movimiento, este aumenta de velocidad. Podemos entonces deducir que:

La variación de la energía cinética, es igual al trabajo hecho por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo:

Trabajo=variación de la energía cinética. 

Ø Energía Potencial.

Es la capacidad que tienen los cuerpos para producir un trabajo, en virtud de su forma o de la posición que ocupan. Un cuerpo que se encuentra a cierta altura (martillo) y se deja caer, es capaz de realizar un trabajo, como por ejemplo clavar una estaca. Los grandes depósitos de agua situados a considerable altura (represa) son una verdadera fuente de energía potencial; en efecto si el agua se conduce por tuberías adecuadas es posible activar turbinas que permitirán la realización de grandes trabajos.

Durante la colisión, la energía cinética total disminuye primero y luego aumenta en las etapas intermedias ha desaparecido parte de la energía cinética.

Todos los sistemas almacenan energía que pueden utilizar en cualquier momento para hacer un trabajo.

Según la figura No. 15, el chico tiene energía a causa de su posición, al caer, esta energía se transforma en el trabajo necesario para levantar a la chica. Esta energía se denomina energía potencial .

La energía potencial es la que tiene un cuerpo en virtud de la posición que ocupa, que será distinta a la del equilibrio.

Fig. No. 15. Ejemplo de energía potencial.

è  Energía Potencial Gravitatoria: El trabajo hecho para elevar un cuerpo hasta una cierta altura se puede calcular de la manera siguiente:

Trabajo = Fuerza (peso del cuero) x Desplazamiento

Por tanto, la energía potencial de un cuerpo de masa m, situado a una altura h sobre un nivel de referencia determinado, se denomina energía potencial gravitatoria.

La energía potencial gravitatoria equivale al trabajo que se hace para elevar un cuerpo hasta una altura (h).

No se puede hablar del valor absoluto de la energía potencial gravitatoria que tiene un cuerpo situado a una altura determinada, sino únicamente de diferencias de energía potencial. De manera convencional, y para evitar este inconveniente, se considera superficie terrestre (h = 0) como el nivel cero de energía potencial.

La energía potencial gravitatoria es proporcional a la masa (m) de un cuerpo cuando este ocupa una posición (h): nada más se modifica al variar la altura.

En un desplazamiento horizontal, la energía potencial no cambia, es decir, en un desplazamiento de este tipo, el trabajo llega a termino porque la fuerza peso es nula.

è  Energía Potencial Elástica: Como ya sabemos, cuando comprimimos o estriamos un muelle, estamos aplicándole una fuerza F, y se produce un desplazamiento x.

Tenemos una masa, m, unida a un resorte de constante elástica, k, y tomamos como origen de coordenada x, la posición de la masa m, en la que el resorte tiene la longitud normal (sin comprimir o alargar). Estiramos el muelle lentamente en sentido horizontal hasta la posición x.

 

Fig. No. 16. Resortes representan el mejor ejemplo de energía potencial elástica.

Para todas las deformaciones que cumplen la Ley Hooke, la energía potencial elástica almacenada en el cuerpo deformado es proporcional al cuadrado de la deformación.