Relación de energía cinética y potencial con el trabajo

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1 Relación de energía cinética y potencial con el trabajo La energía se encuentra presente en toda la materia, en seres vivos y objetos inertes. Se puede afirmar el viento, la electricidad, el agua de un río, el motor de un automóvil, una planta, un animal, la luz de una lámpara, el vuelo de una mosca, el núcleo de los átomos, etc., de tal forma que también las personas tienen energía con la que se puede realizar trabajo físico e intelectual. En conclusión se puede definir la energía como la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Energía potencial Es la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo, dependiendo de la altura en la que se encuentren. La energía contenida en un objeto en disposición inmediata para ser utilizada se denomina energía potencial (Ep), porque en el estado almacenado tiene el potencial para realizar trabajo. Ejemplo: un resorte comprimido o estirado tiene el potencial para hacer un trabajo. Un objeto puede almacenar energía debido a su posición. Para que la energía que tiene un cuerpo se pueda expresar o transformar, el cuerpo necesita moverse. Para calcular la energía potencial Ep, se tiene que tomar en cuenta la masa del cuerpo (m), que puede expresarse en kilogramos, las unidades derivadas y la altura (h) a la que se encuentra colocado el cuerpo, por lo que también es llamada energía potencial gravitacional. El valor de la energía potencial que tiene un cuerpo se determina mediante la ecuación: Ep = (mg)h

2 Mediante la fórmula anterior es posible determinar, por ejemplo, la energía potencial almacenada en una roca de 20 kg que se encuentra a una altura de 5 metros. La solución es la siguiente: Datos: Formula: Sustitución: Resultado: m = 20 kg g = 9.81m/s2 h = 5 metros Ep =? Ep = (mg)h Ep = (20 kg)(9.81 m/s 2 )(5 m) = 981 N m Energía cinética Es la capacidad que tiene un cuerpo para efectuar un trabajo de acuerdo con su velocidad y su masa. Si a un cuerpo se le aplica una fuerza, ésta puede originar un cambio de velocidad. La energía cinética se puede definir como la mitad del producto de su masa por el cuadrado de su velocidad. Cuando se empuja un objeto y se logra ponerlo en movimiento, entonces se hace trabajo sobre él. Por lo tanto, si un objeto está en movimiento es capaz de hacer trabajo a consecuencia de ese movimiento. La energía presente en un movimiento se le llama energía cinética (Ec) y se puede expresar con la siguiente ecuación: Ec = ½ mv 2 Ejemplo: Cuál es la energía cinética de un ciclista cuya masa es de 70 kg (incluyendo la masa de la bicicleta) y que se mueve a una velocidad de 35 m/s.

3 Datos: Fórmula: Sustitución: Resultado: m = 70 kg v = 35 m/s Ec =? Ec = ½ mv 2 Ec = ½ (70 kg)(15 m/s) 2 = 7875 N m Potencia y unidades de medición En las definiciones de energía y trabajo, en ningún momento se tomo en cuenta el tiempo. El trabajo se realiza sin importar el tiempo que pueda transcurrir: una hora, un día, un año, etc., lo que interesa es que se haga. Si una máquina realiza rápido un trabajo es porque tiene potencia, por el contrario, si una máquina lo realiza despacio es porque tiene poca potencia, por lo tanto, se puede decir que la potencia es la rapidez con la que se realiza un trabajo. La potencia se puede definir como la variación con el tiempo del trabajo y se expresa con la siguiente ecuación: P = T t Donde, P es la potencia, T es el trabajo y t el tiempo. Las unidades empleadas para medir la potencia dependen del sistema que se utilice. Las más comunes son las siguientes: Watt-. es la potencia que tiene una máquina que realiza un trabajo de un joule, a lo largo de un segundo.

4 Kilowatt.-unidad equivalente a mil watts. Caballo de vapor-.expresión común que se utilizó inicialmente para medir la potencia de una máquina, comparada con la que produce un caballo. Horse-Power (H.P.).- caballo de fuerza, se usa en los países de habla inglesa. Unidad Símbolo Equivalencia Joule J 1 Nm = (1kgm/s2 * m) Watt W 1 J/s Kilowatt kw 1000 watts Caballo de vapor C. V. 75 kgm/s Caballo de vapor C. V watts Caballo de fuerza H. P watts Ejemplo: Cuál es la potencia que produce un caballo que jala un carruaje con tres personas efectuando un trabajo de 2000 Joules un lapso de tiempo de 120 segundos? Datos: Formula: Sustitución: Resultado: T = 2000 J t = 120s P =? P = T/t P = 2000 J / 120 s Unidades Joule y Ergio para medir el trabajo = Watts El trabajo relaciona los conceptos de fuerza y distancia mediante la ecuación:

5 T = Fd Debido a esto, es necesario emplear las unidades correspondientes a cada una de esas magnitudes para expresar la cantidad de trabajo realizado. La fuerza se mide en Newton (N) La distancia se mide en metros (m) Por lo tanto, el trabajo se mide en Newton-metro (Nm). Las unidades Newton-metro (Nm) pueden ser sustituidas por las de Joule (J). Para que se realice un trabajo son necesarios los siguientes aspectos: Debe haber una fuerza aplicada La fuerza debe actuar a lo largo de una cierta distancia, a lo que se llama desplazamiento La fuerza debe tener una componente (vector) en el mismo sentido del desplazamiento. En física se utilizan tres unidades básicas para medir el trabajo, son: UNIDAD SÍMBOLO Joule J Kgm/s2 * m Kilográmetro kgm Ergio Erg gcm/s2 Descripción de las unidades: Joule: equivale a la fuerza de un Newton que se aplica a lo largo de un metro. Kilográmetro: equivale a la fuerza de un kilogramo actuando a lo largo de un metro.

6 Ergio: equivale a la aplicación de la fuerza de una dina (unidad de medición de fuerza en el sistema CGS) a una distancia de un centímetro.

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