TEMA3 :TREBALL, POTÈNCIA, ENERGIA

Transcripción

1 TEMA3 :TREBALL, POTÈNCIA, ENERGIA El treball és l energia que es transfereix d un cos a un altre per mitjà d una força que provoca un desplaçament Treball El treball fet per una força sobre un objecte es defineix com el producte de la component de la força en la direcció de desplaçament del cos per el desplaçament del punt d aplicació de la força. Si la força i el desplaçament formen un angle α: On: W = d cos α W = Treball de la força = orça aplicada. d= Espai recorregut. cos α= Cosinus de l angle format per la força i la direcció de desplaçament α α d Com es mesura el treball? En el S.I es mesura en joules(j). 1J= N.m

2 Considerem els tres casos següents: orça en el mateix sentit del desplaçament: W =. s. cos 0 0 =. s ; W =. s α= 0 0 El signe positiu indica que la força dóna energía cinética al cos orça en sentit contrari al desplaçament: W =. s. cos = -. s ; W = -. s El signe negatiu indica que la força treu energía cinética al cos orça perpendicular al desplaçament: W =. s. cos 90 0 = 0 ; W = 0 : α= 90 0 La força ni dona ni treu energía.

3 LA POTÈNCIA La potència P és una magnitud física que relaciona el treball realitzat o l energia amb el temps: w P = t En el S.I. la potència es mesura en watts (W); W=J/s Altres unitats: CV = 736 W. Altra unitat d energia: 1kWh = 10 3 W 3600s = J =3600 kj

4 EL TREBALL MODIICA L ENERGiA CINÈTICA Una de les formes fonamentals de l energia és l energia cinètica. energia cinètica: és la que posseeixen els cossos en moviment. Depèn de la massa i de la velocitat i es defineix : E cin = 1 m v La unitat S.I d energia es el joule(j) Les forces en actuar sobre els cossos produeixen canvis a la seva velocitat (acceleracions). Per tant, transfereixen energia cinètica als cossos.

5 L energia cinètica transferida per una força es pot calcular aplicant la següent equació: (1) W =. d =m a d =m (v )/t d on d =1/ a t =1/ (v /t) t =1/ v t i per tant substituint W = m (v )/t 1/ (v ).t =1/m v Així,el treball realitzat per la força coincideix amb l energia cinètica que adquireix el cos. Quan sobre un cos actua una força que li provoca un desplaçament en la mateixa direcció, el treball desenvolupat coincideix amb la variació d energia cinètica que experimenta el cos. W=E c -E c1 = E c

6 EL TREBALL MODIICA L ENERGIA POTENCIAL Energia potencial gravitatòria: Ep = mgh P W (fet pel pes ) = - m g h, h W( fet per la força ) = m g h. L energia potencial apareix quan actuen forces, com la gravetat o forces elàstiques, les quals tenen la propietat de que realitzen treball negatiu. Aquest tipus de forces reben el nom de forces conservatives. : Wpes = P. x cos180= Ep1 - Ep = - EP P

7 EL TREBALL MODIICA L ENERGIA MECÀNICA Quan sobre un cos actua una força que provoca canvis a la seva velocitat i en la seva posició, el treball d aquesta força és igual a la variació d energia mecànica que experimenta el cos. W T = W +W P = E C W = E C - W P W = E C + E P = E m Principi de conservació de l energia mecànica: Si W = 0 E m =0 E m1 = E m Si hi ha fregament, part de l energia se degrada en forma de calor i l energia mecànica no es conserva: E m1 = E m - W reg

8 Ejemplo 1 Realiza un balance de energía para el cuerpo indicado en la figura (m = 1500 g). La fuerza indicada es la fuerza de rozamiento. Calcula la velocidad al final del recorrido: v 1 = 4 m/s N N v? m Solución: 1 1 m Estado inicial. El cuerpo tiene energía cinética: Ecin (1) = m v = 1,5 kg 4 = 1,0 J s Energía cinética transferida por la fuerza: W = -.s = - N. m = - 4,0 J (le quita energía cinética) Aplicando la LCE : E fin = E ini + W ; E fin = 1,0 J 4,0 J = 8,0 J En el punto final tendrá 8,0 J de energía cinética. Por tanto: 1 E.8,0 J m m 1,5 kg s c() Ecin () = m v ; v = = = 3,3 Inicial E c(1) = 1, 0 J E. quitada (calor) W = 4, 0 J inal E c() = 8,0 J Como indica el resultado obtenido se ha producido una disminución de la energía cinética del cuerpo (y por tanto de su velocidad) debido a que la fuerza resta energía cinética al cuerpo. La fuerza de rozamiento trasfiere la energía cinética del cuerpo al ambiente en forma de calor. Los 1,0 J de energía cinética iniciales están al final en forma de calor (4,0 J) y de energía cinética (8,0 J). La LCE se cumple. La energía no desaparece, sino que pasa de una forma a otra.

9 Ejemplo 3 El cuerpo de la figura tiene una masa de 1 kg. Realizar un balance de energía comentando las variaciones de energía que experimenta. = 5 N ; R = N R v 1 = m/s v? R 4 m Solución: 1 1 m Estado inicial. El cuerpo tiene energía cinética: Ecin (1) = m v = 1,0 kg =,0 J s Como actúan dos fuerzas calculamos la energía transferida por cada una de las fuerzas: W 1 =. e = 5 N. 4 m = 0, 0 J. da energía cinética al cuerpo. W R = - R. e = - N. 4 m = - 8, 0 J. R quita energía cinética al cuerpo. Al final, la energía cinética transferida por las fuerzas actuantes es: W = (0,0 8,0) J = 1,0 J Aplicando la LCE : E fin = E ini + W ; E fin =,0 J + 1,0 J = 14,0 J

10 En el punto final tendrá 14,0 J de energía cinética. Por tanto: 1 E.14,0 J m m 1,0 kg s c() Ecin () = m v ; v = = = 5,3 E. dada W = 0,0 J La velocidad al final es mayor que al principio, ya que el balance de energía total aportada por las fuerzas que actúan es positivo. Por tanto, la energía cinética del cuerpo aumentará. Inicial: E c(1) =,0 J inal: E c() = 14,0 J E. quitada (calor) W R = 8,0 J Podría haberse resuelto el problema de otra forma: Reducimos las fuerzas actuantes a una única fuerza equivalente (resultante) que produzca el mismo efecto que 1 y actuando a la vez. Una vez calculada esa fuerza se calcula el trabajo (energía transferida) por ella: res = + R = 5 N - N = 3 N; W re = res. s = 3 N. 4 m = 1 J. Se dan 1 J de energía cinética al cuerpo Como se observa el resultado es idéntico al obtenido más arriba. Una demostración del enunciado que dice: El trabajo de la resultante de varias fuerzas es igual a la suma de los trabajos de dichas fuerzas.

11 E c = 0; Suposem que aixecam un objecte de m = 1 kg des de el terra fins a una alçada de m. Energia inicial: Ec1 = 0; Ep1 =0 Energía final (h= m): Ec = 0; Ep = m. g.h = 1 kg. 10 m/s. m = 0 J 1 P E p = m. g.h la força dóna energia cinètica al cos (realiza treball positiu) El pes P treu energia cinètica al cos (realitza treball negatiu) que se transforma en Epot. A dalt, tota l energía donada per la força a la pujada s ha acumulat com energia potencial. Si ara deixam que la força de gravetat actui podrem recuperar tota l energia Energia inicial: Ec = 0; Ep = 0 J Energia final (, h =0): Ep3= 0; Ec3= 0 J Treball realitzat per la força de gravetat: WP = m g. h = - 1kg. 10 m/s. 3 P Epot. A la baixada, el pes P realitza treball positiu, transforma l energia potencial acumulada en cinética. Tota l energia potencial s ha transformat en cinètica.

12 Si la única força que realitza treball és conservativa es cumpleix: E cin + E pot = ct. ; Ec= 0 Ep = 0 J Ec= 0 Ep = 0 J E c 1 + E p1 = E c + E p La suma de l energia cinètica i potencial romàn constant (se conserva). A la suma de l energia cinètica i potencial se l anomena energía mecánica. Per tant quan la única força que realitza treball és conservativa l energía mecánica se conserva. Ec= 0 Ep =0 P P Ec= 0 J Ep = 0 J Si hi ha fregament, la suma de l energia cinètica i potencial (energía mecánica) NO es conserva, ja que part de l energía es converteix en calor que se dissipa en l aire. Per això es diu que la força de fregament és no conservativa. Ec+ Ep = W (E c - E c1 )+(E p - E p1 ) = W T (E c +E p ) =(E c1 +E p1 ) W freg W freg =(E c1 +E p1 ) - (E c +E p )

13 Ejemplo 1 Si hi ha fregament, la suma de l energia cinètica i potencial (energía mecánica) NO es conserva, ja que part de l energía es converteix en calor que se dissipa en l aire. Per això es diu que la força de fregament és no conservativa. Ec+ Ep = W (E c - E c1 )+(E p - E p1 ) = W T on W T = W W freg si W = 0 W T = - W freg (E c +E p ) (E c1 +E p1 ) = W T (E c +E p ) =(E c1 +E p1 ) - W freg A un cuerpo de 500 g, situado en el suelo, se aplica una fuerza constante de 15 N que actúa verticalmente y hacia arriba. Calcular el tipo de energía y su valor en los siguientes puntos: a) En el suelo. b) A m del suelo. c) A 5 m del suelo. Solución: 5 m m a) E cin = 0 ; E pot = 0. b) Energía dada por la fuerza : W =. h 1 = 15 N. m = 30 J E pot = m g h = 0,5 kg. 10 m/s. m = 10 J Como se debe cumplir la Ley de Conservación de la Energía se deduce que el cuerpo tendrá una energía cinética de 0 J. c) Energía dada por la fuerza : W =. h = 15 N. 5 m = 75 J E pot = m g h = 0,5 kg. 10 m/s. 5 m = 5 J E c +E p = W E c = W E p E c = 30-10= 0 J Como se debe cumplir la Ley de Conservación de la energía se deduce que el cuerpo tendrá una energía cinética de 50 J. E c = W E p E c = 75-5= 50 J

14 Ejemplo a) Un cuerpo de 1 kg es elevado desde el suelo hasta una altura de 10 m y a continuación se deja caer a) Realizar un estudio energético de la ascensión del cuerpo y del descenso suponiendo rozamiento nulo. b) Repetir el estudio anterior suponiendo que cuando se deja caer el aire ejerce una fuerza de rozamiento constante de N. Solución: 1. Ascenso.. Descenso. Punto inicial (suelo): E cin = 0 ; E pot = 0 Punto final (a 10 m del suelo): E cin = 0 ; E pot = m g h = 1 kg. 10 m/s. 10 m = 100 J. La energía aportada por la fuerza es acumulada como energía potencial. Punto inicial (a 10 m del suelo): E cin = 0 ; E pot = m g h = 1 kg. 10 m/s. 10 m = 100 J. Punto intermedio (a 4 m del suelo) E pot = m g h = 1 kg 10 m/s 4 m = 40 J; E cin = 60 J (aplicando la LCE). Como se ve parte de la energía potencial se ha transformado en energía cinética. Punto final (suelo) Epot = 0; E cin = 100 J Toda la energía potencial se ha convertido en cinética. E c = E T E p E c = = 60 J Como se puede observar en ausencia de rozamiento la suma de la energía cinética y potencial (energía mecánica) se conserva.

15 1. Ascenso. Punto inicial (suelo): E cin = 0 ; E pot = 0 Punto final (a 10 m del suelo): E cin = 0 ; E pot = m g h = 1 kg. 10 m/s. 10 m = 100 J. La energía aportada por la fuerza es acumulada como energía potencial.. Descenso. Punto inicial (a 10 m del suelo): E cin = 0 ; E pot = m g h = 1 kg. 10 m/s. 10 m = 100 J. Punto intermedio (a 4 m del suelo) E pot = m g h = 1 kg 10 m/s 4 m = 40 J; Wroz = - roz. s = - N. 6 m = - 1 J (energía cinética disipada como calor) E cin = 48 J (aplicando la LCE). Parte de la energía potencial se ha transformado en energía cinética y parte en calor (E c +E p ) =(E c1 +E p1 ) - W freg E c = = 48 J Calor = 1 J E pot =100 J E pot = 40 J E cin = 48 J Punto final (suelo) Epot = 0; Wroz = - roz. s = - N. 10 m = - 0 J (energía disipada como calor) E cin = 80 J (aplicando la LCE). La energía potencial se ha transformado en energía cinética y parte en calor Calor = 0J E pot =100 J E pot = 0 E cin = 80 J Observa que si hay rozamiento la suma de la energía cinética y potencial (energía mecánica) NO se conserva, ya que parte de la energía se convierte en calor que se disipa en el aire. Por eso se dice que la fuerza de rozamiento es no conservativa. No obstante, la Ley de Conservación de la Energía sigue siendo válida ya que los 100 J iniciales aparecen íntegros al final: 0 J como calor y 80 J como energía cinética.

16 Ejemplo 4 Un bloque de 1 kg que tiene inicilamente una velocidad de 3 m/s es empujado una distancia de 6 m. sobre un piso horizontal, mediante una fuerza de 8 N que forma, hacia abajo, un ángulo de 30 0 con la horizontal. El coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es 0,30. a) Realizar un balance de energía. b) Calcular la velocidad del cuerpo al final del recorrido. v 1 = 3 m/s v? 6 m Solución: 1 1 m Ecin (1) = m v = 1,0 kg 3 = 4,5 J Estado inicial. El cuerpo tiene energía cinética: s Calculamos la energía transferida por las dos fuerzas W =. e cos α = 8 N. 6 m. cos 30 0 = 41, 6 J. Da energía cinética al cuerpo. W R = - R. e = - µ N e = - µ (m g + sen α).e = - 0,30 (1 kg 10 m/s + 8 N sen 30 0 ) 6 m = - 5, J. La R resta energía cinética al cuerpo, que será transferida al ambiente en forma de calor. Al final, la energía cinética transferida por las fuerzas actuantes es: W Tot = (41,6 5,) J = 16,4 J Aplicando la LCE : E fin = E ini + W ; E fin = 4,5 J + 16,4 J = 0,9 J En el punto final tendrá 0,9 J de energía cinética. Por tanto: R R P N cosα senα 1 E.0,9 J m m 1,0 kg s c() Ecin () = m v ; v = = = 6,5 E. dada W = 41,6 J La velocidad al final es mayor que al principio, ya que el balance de energía total aportada por las fuerzas que actúan es positivo. Por tanto, la energía cinética del cuerpo aumentará. Inicial: E c(1) = 4,5 J inal: E c() = 0,9 J E. quitada (calor) W R = 5, J

17 En muchas ocasiones tan importante como saber la cantidad de energía dada o quitada a un sistema es conocer la rapidez con la que esta energía es transferida. Para poder medir la rapidez con la que la energía se transfiere se define la potencia como la energía transferida por unidad de tiempo. E P = t La unidad de potencia en el S. I. es el Julio/s, llamado watio ( en honor de James Watt), aunque en la práctica también se usa el caballo de vapor (CV) 1 CV = 735 W De esta manera una bombilla de 100 W es capaz de generar energía luminosa (estrictamente es capaz de transformar la energía eléctrica en energía luminosa) a razón de 100 J por segundo. Ejemplo 5 Comparar la energía emitida por una bombilla de 100 W y una de 60 W. Solución: Una bombilla de 100 W consume energía (es decir, transforma energía eléctrica que toma de la red en luz) mucho más rápidamente que una de 40 W. Por ejemplo, al cabo de 1 hora de funcionamiento: Energía consumida por la bombilla de 100 W: J E = P t = s s 5 = J = 3,6 10 J Energía consumida por la bombilla de 60 W: J E = P t = s s 5 = J= 1,4 10 J Como se observa el julio es una unidad bastante pequeña, razón por la cual se emplea el kj ( 1 kj = 1000 J) y en el caso de cálculos en los que intervenga la energía eléctrica es muy usado como unidad de energía el kw.h (kilowatio hora). Para obtener la energía consumida en kw.h se debe expresar la potencia en kw (1 kw = 1000 W) y el tiempo en horas. De esta manera el cálculo anterior quedaría: Energía consumida por la bombilla de 100 W: Energía consumida por la bombilla de 40 W : E = P t = 0,100 kw 1h = 0,1kW.h E = P t = 0,04 kw 1h = 0,04 kw.h

18 Ejemplo 6 Un automóvil de masa kg es capaz de aumentar su velocidad de cero a 100 km/h en 8,0 s. Calcular su potencia en watios y en C.V. Solución: Inicialmente el automóvil tiene una energía nula (v=0). Al cabo de 8,0 s adquiere una velocidad de 100 km/h (7,8 m/s). Es decir, habrá adquirido una energía cinética de: m Ec = m v = 1000 kg ( 7,8) 3,85.10 J = s Luego la rapidez con la cual se genera energía cinética (potencia) es: 5 E 3,85.10 J 4 J 4 P = = = 4,81.10 = 4,81.10 W = 48,1kW t 8 s s 4 4,81.10 W 1CV 735 W = 65,4 CV Si consideramos un coche más potente, por ejemplo de 100 CV, será capaz de aumentar su velocidad (o su energía cinética) más rápidamente. Por ejemplo, para adquirir una velocidad de 100 km/h (7,8 m/s) tardaría: 100 CV 735 W 1C V m Ec = m v = 1000 kg ( 7,8 ) 3,85.10 J = s 4 = 7,35.10 W 5 E E 3,85.10 J P = ; t t = P = 7, J = 5, s O bien, en 8,0 s sería capaz de generar una anergía cinética de: 4 J E = P.t = 7, ,0 s s s 5 = 5,88.10 J O, lo que es lo mismo, alcanzaría una velocidad de: E c 1. E m v ; v m c = = = 5. 5,88.10 kg 3 10 kg.m.s m km = 34,9 = 13, 4 s h

19 RESUM W= d cos α joule =N m P= W/t watts =J/s E c = ½ m v Ep = m g h E m = E c + Ep W T = E C (treball de la resultant) W P = - E P Principi de conservació de l energia mecànica: E m1 = E m Si hi ha fregament, part de l energia se degrada en forma de calor i l energia mecànica no es conserva: E m1 = E m - W reg