TRABAJO Y ENERGIA MODULO 5. Autor: Adriana Rodríguez M.

Transcripción

1 MODULO 5 Autor: Adriana Rodríguez M.

2 Contenido 1. Energía 1.1Video explicativo Energía 1.2Propiedades de la energía 1.3Propiedades de la energía 1.4Animación energía 1.5Fuentes de energía 1.6Animación de energía 1.7Formas de energía 1.8Energía térmica 1.9Animación de Movimiento de las partículas en la materia en estado sólido 1.10Animación de Movimiento de las partículas en la materia en estado gaseoso 1.11Energía eléctrica 1.12Animación energía 1.13Energía radiante 1.14Animación energía 1.15Energía química 1.16Energía nuclear 1.17Animación 1.18Energía 1.19Video de energía 2

3 2. ENERGIA CINETICA 2.1 animación 2.2 video de energía cinética 2.3 formula de energía cinética 2.4 ejemplo de energía cinética 2.5 animación de energía cinética 2.6 ejercicios explicativos 2.7 ejercicio propuesto 2.8 actividad energía cinética 2.9 evaluación energía cinética 3. ENERGIA POTENCIAL 3.1 que es energía potencial 3.2 Potencia 3.3 anima con energía potencial 3.4 formula energía potencial 3.5 animación energía potencial 3.6 ejercicio explicativo energía potencial 3.7 ejercicio propuesto energía potencial 3.8 Actividad energía potencial 3.9 Evaluación Energía potencial 3

4 4. ENERGIA MECANICA 4.1 animación de energía mecánica 4.2 formula energía mecánica 4.3 animación energía mecánica 4.4 mapa conceptual energía mecánica 4.5 ejemplo de energía mecánica con animación 4.6 ejercicio explicativo energía mecánica 4.7 ejercicio propuesto energía mecánica 4.8 Actividad Energía Mecánica 4.9 Evaluación energía mecánica 5. TRABAJO 5.1 Definición y animación 5.2 video de trabajo 5.3 formula trabajo 5.4 mapa conceptual Trabajo VS energía 5.5 ejercicio explicativo trabajo 5.6 ejercicio propuesto de trabajo 5.7 Actividad de trabajo 5.8 Evaluación de trabajo 6. FUERZA 6.1 animación de fuerza 6.2 Fuerza constante 4

5 6.3 video de fuerza 6.4 ejercicio explicativo de fuerzas 6.5 ejercicio propuesto de fuerzas 6.6 Actividad de fuerza 6.7 Evaluación de fuerza 7. RESUMEN 8. EVALUACION FINAL DEL MODULO 9. DESCARGABLE 10. GLOSARIO 11. REFERENCIAS 5

6 INTRODUCCION La palabra energía es una de las que más se emplea en la actualidad. Has pensado a que se debe esto? El concepto de energía se emplea en todas las ciencias y es muy importante en nuestra vida social. La potencia de un país se puede medir en términos de la energía que se consume: cada día nos preocupamos más por tener autos que sean más eficientes en el consumo de energía; Los científicos buscan formas de energía que contaminen menos nuestro planeta. El caso es que la energía es un concepto muy importante porque está presente en la explicación de todos los fenómenos que nos rodean y sin embargo es muy difícil de definir. La energía no es algo que las cosas posean, es más bien un concepto que podemos definir cuando somos capaces de observar sus efectos. 6

7 ENERGIA: Energía es la capacidad de un sistema físico para realizar un trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella Se produce trabajo sólo si existe una fuerza que al actuar sobre un cuerpo da lugar a su desplazamiento. Figura1: Energía PROPIEDADES DE LA ENERGIA: La ENERGIA es todo aquello que produce cambios en las propiedades físicas o químicas de los sistemas materiales. 7

8 La energía puede almacenarse La energía puede transferirse La energía puede transformarse Pero nunca puede destruirse FUENTES DE LA ENERGIA: El origen de casi todas las fuentes de energía es el Sol, que "recarga los depósitos de energía". Las fuentes de energía se clasifican en dos grandes grupos: renovables y no renovables. DE JUANA, J. M. (coord.) (2003), Energías Renovables para el Desarrollo. Paraninfo - Thomson Learning. Figura 2.Fuentes de energía 8

9 ENERGIA TERMICA: La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor. ENERGIA ELECTRICA: La Energía eléctrica es causada por el movimiento de las cargas eléctricas en el interior de los materiales conductores. Esta energía produce, fundamentalmente, 3 efectos: luminoso, térmico y magnético. Ej.: La transportada por la corriente eléctrica en nuestras casas y que se manifiesta al encender una bombilla. Rubens D. FUCHS (2003), ransmissao de Energía Eléctrica. Linhas Aéreas 9

10 Figura3.Energia Eléctrica ENERGIA RADIANTE: La Energía radiante es la que poseen las ondas electromagnéticas como la luz visible, las ondas de radio, los rayos ultravioleta (UV), los rayos infrarrojo (IR), etc. La característica principal de esta energía es que se puede propagar en el vacío, sin necesidad de soporte material alguno. 10

11 ENERGIA QUIMICA: La Energía química es la que se produce en las reacciones químicas. Una pila o una batería poseen este tipo de energía. Ej.: La que posee el carbón y que se manifiesta al quemarlo. Figura4.Energia Química ENERGIA NUCLEAR: La Energía nuclear es la energía almacenada en el núcleo de los átomos y que se libera en las reacciones nucleares de fisión y de fusión, ej.: la energía del uranio, que se manifiesta en los reactores nucleares. 11

12 Figura 5 Energía Nuclear ENERGIA: Energía es la capacidad de un sistema físico para realizar trabajo. La materia posee energía como resultado de su movimiento o de su posición en relación con las fuerzas que actúan sobre ella. La radiación electromagnética posee energía que depende de su frecuencia y, por tanto, de su longitud de onda. Esta energía se comunica a la materia cuando absorbe radiación y se recibe de la materia cuando emite radiación. La energía asociada al 12

13 movimiento se conoce como energía cinética, mientras que la relacionada con la posición del objeto sobre la Tierra es la energía potencial gravitacional. ENERGIA CINETICA: La energía cinética es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Su valor depende de la masa del cuerpo (m) y de su velocidad (v). Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004).Physics for Scientists and Engineers (6th ed. edición).brooks/cole. ISBN Figura6. Energía Cinética 13

14 FORMULA DE ENERGIA CINETICA: Donde m es la masa del cuerpo en kilogramos (Kg) y v el módulo de su velocidad en metros por segundo (m/s). ENERGIA CINETICA: La energía cinética es la energía que un objeto posee debido a su movimiento. La energía cinética depende de la masa y la velocidad del objeto según la ecuación E = (1/2)m.v 2 Donde a es la aceleración de la masa m y d es la distancia a lo largo de la cual se acelera. Las relaciones entre la energía cinética y la energía potencial, y entre los conceptos de fuerza, distancia, aceleración y energía, pueden ilustrarse elevando un objeto y dejándolo caer. Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (5th ed. edición). W. H. Freeman. ISBN

15 EJEMPLO DE ENERGIA CINETICA: Cuando el objeto se levanta desde una superficie se le aplica una fuerza vertical. Al actuar esa fuerza a lo largo de una distancia, se transfiere energía al objeto. La energía asociada a un objeto situado a determinada altura sobre una superficie se denomina energía potencial. Si se deja caer el objeto, la energía potencial se convierte en energía cinética. Figura7.Caso de energía cinética ENERGIA POTENCIAL: POTENCIA: La potencia media se define como el trabajo efectuado por unidad de tiempo. P = W / t. Es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una determinada posición. Podemos hablar de energía potencial gravitatoria y de energía potencial elástica. 15

16 Figura8. Energía Potencial Energía potencial gravitatoria es aquella energía que poseen los cuerpos que se encuentran en altura. Esta energía depende de la masa del cuerpo y de la atracción que la Tierra ejerce sobre él (gravedad). FORMULA ENERGIA POTENCIAL: La energía potencial se mide en julios (J), la masa en kilogramos (Kg), la aceleración de la gravedad en metros por segundo al cuadrado (m/s2) y la altura en metros (m). 16

17 ENERGIA MECANICA: Se llama energía mecánica (E M )a la suma de las energía cinética y potencial. De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, los que interesan a la mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad. Ambas magnitudes definen, en el marco de la dinámica de Newton, el estado mecánico de un cuerpo, de modo que éste puede cambiar porque cambie su posición o porque cambie su velocidad. La forma de energía asociada a los cambios en el estado mecánico de un cuerpo o de una partícula material recibe el nombre de energía mecánica. Dicha energía depende de la masa y de la velocidad de dicho cuerpo. En la siguiente imagen podemos comprobar la transformación de la fuerza del viento, que hace mover las aspas, que es convertida en energía mecánica, durante el proceso. 17

18 Figura 9, Energía Mecánica FORMULA ENERGIA MECANICA: E M = E c + E p = ½ m v 2 + m g h 18

19 Figura10. Energía Mecánica 19

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21 EJEMPLO DE ENERGIA MECANICA: Es la energía que se debe a la posición o al movimiento de un objeto. Cuando el agua de una represa se desprende, la energía potencial se convierte en energía cinética y la suma de ambas conforma la energía mecánica. Figura 11. Energía Mecánica

22 TRABAJO: Figura 12. Trabajo Es una de las formas de transferencia de energía entre los cuerpos. Para realizar un trabajo es preciso ejercer una fuerza sobre un cuerpo y que éste se desplace. El trabajo, W, depende del valor de la fuerza, F, aplicada sobre el cuerpo, del desplazamiento, Δx y del coseno del ángulo α que forman la fuerza y el desplazamiento. El trabajo, se mide en julios (J) en el SI, la fuerza en newton (N) y el desplazamiento en metros (m). 22

23 FORMULA TRABAJO: W = F cosα Δx El trabajo, se mide en julios (J) en el SI, la fuerza en newton (N) y el desplazamiento en metros (m). Figura 13. Trabajo 23

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25 EL TRABAJO MODIFICA LA ENERGÍA CINÉTICA El trabajo es la forma en que los cuerpos intercambian energía cuando existe una fuerza que provoca un desplazamiento. Por ello, si se realiza un trabajo sobre un cuerpo, se modifica su energía mecánica. La variación de la energía cinética a consecuencia del trabajo recibe el nombre de Teorema de las fuerzas vivas. W = ΔEc = E c2 - E c1 EL TRABAJO MODIFICA LA ENERGÍA POTENCIAL De la misma forma que el trabajo puede modificar la energía cinética de un cuerpo, también puede modificar su energía potencial. Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza vertical que le hace desplazarse en esa misma dirección con velocidad constante, el trabajo desarrollado coincide con la variación de energía potencial que experimenta el cuerpo. W = ΔEp = E p2 - E p1

26 EL TRABAJO MODIFICA LA ENERGÍA MECANICA Son innumerables los casos en los que el trabajo modifica, simultáneamente, la energía cinética y la energía potencial de un cuerpo. Es decir, modifica la energía mecánica en su conjunto. Si sobre un cuerpo actúa una fuerza que provoca cambios en su velocidad y en su posición, el trabajo de esa fuerza será igual a la variación de energía mecánica que sufre el cuerpo. W = ΔE M =(Ep 2 +Ec 2 )-(Ec 1 + Ep 1 ) FUERZA: Una fuerza es algo que cuando actúa sobre un cuerpo, de cierta masa, le provoca un efecto. Por ejemplo, al levantar pesas, al golpear una pelota con la cabeza o con el pie, al empujar algún cuerpo sólido, al tirar una locomotora de los vagones, al realizar un esfuerzo muscular al empujar algo, etcétera siempre hay un efecto. Figura 12. Fuerza 26

27 FUERZA CONSTANTE: La propiedad más importante para clasificar una fuerza como no conservativa es cuando esa fuerza produce un cambio en la energía mecánica, definida como la suma de la energía cinética y potencial. El tipo de energía asociada a una fuerza no conservativa puede ser un aumento o disminución de la temperatura. Figura 13. Fuerza 27

28 Resumen Energía Cinética Si tú empujas un objeto, puedes ponerlo en movimiento. Un objeto que se mueve puede, en virtud de su movimiento, realizar trabajo. El objeto tiene energía de movimiento, o energía cinética (EC ). La energía cinética de un objeto depende de su masa y su rapidez. Es igual al producto de la mitad de la masa por el cuadrado de la rapidez. Energía Potencial Un objeto puede almacenar energía en virtud de su posición. La energía que se almacena en espera de ser utilizada se llama energía potencial (EP), porque en ese estado tiene el potencial para realizar trabajo. Por ejemplo, un resorte estirado o comprimido tiene el potencial para hacer trabajo. Cuando se tiende un arco, el arco almacena energía. Una banda elástica estirada tiene energía potencial debido a su posición ya que, si forma parte de una honda, es capaz de hacer trabajo. 28

29 Energía Mecánica La definición de la energía mecánica es la suma de las energías cinética y potencial asociadas a una masa en un campo gravitatorio. En ausencia de otras fuerzas la energía mecánica de un cuerpo en órbita se mantiene constante. E M = E c + E p = ½ m v 2 + m g h Glosario UV: La "luz" ultravioleta es un tipo de radiación electromagnética, La luz ultravioleta (UV) tiene una longitud de onda más corta que la de la luz visible. IR: La radiación infrarroja o radiación térmica es un tipo de radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible. Los procesos de calentamiento con emisores de infrarrojos destacan por una alta rentabilidad, debido a que la energía del calor se transmite a través de emisiones electromagnéticas. El cuerpo irradiado absorbe la emisión infrarroja y la transforma en calor. 29

30 FUERZA: Cualquier acción que altera el estado de reposo de un cuerpo, o el estado de movimiento uniforme de un cuerpo. Se mide en Newton (N). VELOCIDAD: Razón de cambio en la posición de un objeto. Se mide en m/s. ACELERACION: El cambio en la velocidad de un objeto en un tiempo determinado. Se mide en metros por segundo, m/s2. MASA: Cantidad de materia. Se mide en gramos (g). JULIOS: La unidad de energía. Se define como el trabajo hecho cuando una fuerza de un newton mueve un objeto a través de un metro de distancia. NEWTON: neutonio o neutón (símbolo: N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su aportación a la física, especialmente a la mecánica clásica. 30

31 Ejercicios Propuestos 1. Calcula la energía potencial que posee un libro de 500 gramos de masa que está colocado sobre una mesa de 80 centímetros de altura. 2. En una curva peligrosa, con límite de velocidad a 40 kilómetros/hora, circula un coche a 36 kilómetros/hora. Otro, de la misma masa, 2000 kilogramos, no respeta la señal y marcha a 72 kilómetros/hora. a. Qué energía cinética posee cada uno? b. Qué consecuencias deduces de los resultados? 3. Las bombillas de incandescencia pierden casi toda la energía en energía térmica: de cada 100 J desperdician aproximadamente 95. Las lámparas de bajo consumo se calientan muy poco. Su rendimiento viene a ser el 25 %, pero son más caras. a. Cuando gastan 3000 J de energía eléctrica, qué energía luminosa dan? b. Cuál de las dos lámparas es más ventajosa? 31

32 4. Calcula la energía cinética de un coche de 500 kg de masa que se mueve a una velocidad de 100 km/h. 5. El conductor de un coche de 650 kg que va a 90 km/h frena y reduce su velocidad a 50 km/h. Calcula: a. La energía cinética inicial. b. La energía cinética final. 6. Calcula la energía potencial gravitatoria de un cuerpo de 30 kg de masa que se encuentra a una altura de 20 m. 7. Una pesa de 18kg se levanta hasta una altura de 12m y después se suelta en una caída libre. Cuál es su energía potencial? 8. Determine la energía cinética de un auto que se desplaza a 3 m/s si su masa es de 345 kilos. 9. A qué altura debe de estar elevado un costal de peso 840 kg para que su energía potencial sea de J. 32

33 10. Una maceta se cae de un balcón a una velocidad de 9,81 m/s adquiriendo una energía cinética de 324 cuál es su masa? 33

34 Referencias [1] Araceli Antras, Encyclopedia tematica oceano (edicion 1999), in Spain, 2nd ed, Pag [2] Paul Tippens Física I Conceptos y Aplicaciones(Mcg raw hill) Trabajo energía y potencia pág [3] Beatriz Estivali, Elena Casillas Fisica General 2003 Física Feynman, Volumen I: Mecánica radiación y calor. Fernman, Leigton, Sands. Adiisson-Wesley Iberoamericana USA, 1987 [4] Física Feynman, Volumen II: Electromagnetismo y Materia. Fernman, Leigton, Sands. Adiisson- Wesley Iberoamericana USA, [5] Fascia, Volume I, Paul A. Tipler. Editorial Reverte,S.A. Bilbao, 1995 [6] Trabajo y Energía (2013). Recuperado el 12 de enero de rabajoyenergia.pdf/ [7] Energía (2013) Recuperado el 12 de enero de 2013, de 1.HTM [8] Energía Potencial Cinética (2013) Recuperado el 12 de enero de 2013, de nergia-potencial-cinetica 34

35 Módulo 5 Trabajo y Energía Universidad de Cundinamarca Facultad Ingeniería Programa Ingeniería de Sistemas Fusagasugá