FÍSICA 1-2 TEMA 4 Resumen teórico. Trabajo y energía

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1 Trabajo y energía

2 TRABAJO El trabajo de una fuerza (W) es una de las formas de transmisión de la energía entre los cuerpos. Matemáticamente, el trabajo de una fuerza se puede calcular multiplicando el valor de la fuerza horizontal, expresada en newtons, por la distancia que recorre ésta, expresada en metros. El resultado es el trabajo expresado en una unidad que se denomina joule (J): Condiciones para que una fuerza haga un trabajo W = F d En primer lugar, es necesario que actúe una fuerza y que ésta produzca un desplazamiento. Por razones más complejas que estudiarás en cursos posteriores, es preciso que la fuerza y el desplazamiento no formen un ángulo de 90º. Si lo hacen, el trabajo de la fuerza es cero y, por lo tanto, no hay ninguna transformación de la energía del cuerpo. Cuando una fuerza efectúa un trabajo sobre un cuerpo, éste adquiere una cantidad de energía equivalente al trabajo realizado. La energía adquirida es mecánica, que adopta diferentes formas en función de cómo se realiza el trabajo, mediante la energía potencial y la energía cinética. ENERGÍA La energía cinética (E c ) Podemos definir la energía como la capacidad que tienen los cuerpos para efectuar transformaciones en ellos mismos, o bien en otros. Es decir, la energía es la capacidad de realizar un trabajo. Los dos tipos fundamentales de energía son aquéllos asociados a la velocidad de un cuerpo, la denominada energía cinética, y a la altura respecto al suelo, la energía potencial. La energía se mide en una unidad que se denomina joule (J). Es la que tienen los cuerpos que se desplazan a una cierta velocidad. Cuando chutas una pelota, tu pie ejerce una fuerza sobre la pelota y, por lo tanto, un trabajo que modifica su velocidad y que le da energía cinética. Esta energía se calcula a partir de la expresión: 1 E c = mv 2 2 Trabajo y energía 2

3 La energía potencial (E p ) Recuerda que la masa ha de expresarse en kg y la velocidad, en m/s. De esta forma, la energía se expresa en joules (J). Observa que la energía depende del cuadrado de la velocidad y de la masa. Así, para dos cuerpos de la misma masa, si uno viaja al doble de velocidad que el otro, la energía no es el doble, sino el cuádruple. Es la que tiene un cuerpo cuando está a una cierta altura del suelo. Se debe a la fuerza de atracción que ejerce nuestro planeta sobre cualquier cuerpo. Al levantar un libro y colocarlo en una estantería superior, has tenido que hacer un trabajo; el cual no se convierte en velocidad, sino en una ganancia de altura: en energía potencial. La energía potencial se calcula a partir de la expresión: E p = m g h La energía mecánica (E m ) Recuerda que la masa ha de expresarse en kg, la altura en metros, y que la gravedad terrestre tiene el valor g = 9,8 m/s 2. Con estas unidades del Sistema Internacional, la energía se expresa en joules (J). Es la suma de la energía cinética y la energía potencial de un cuerpo: Principio de conservación de la energía mecánica E m = E c + E p Cuando hablamos de la energía de un cuerpo, nos referimos a la mecánica. A veces, la energía mecánica de un cuerpo es sólo la cinética o la potencial. Es la que se transforma y, para que así pase, es necesario que alguna fuerza haga un trabajo. Uno de los principios más importantes de la física es el de la conservación de la energía mecánica. Si la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es el peso, su energía mecánica se mantiene constante en todos los puntos de su trayectoria, de forma que: E MA = E MB = E MC = E MD =... (en cualquier punto de la trayectoria) Las energías cinética y potencial pueden variar de un punto a otro; pero la suma de las dos, es decir, la energía mecánica, se mantiene constante a lo largo de una trayectoria. Trabajo y energía 3

4 La degradación de la energía Así, por ejemplo, al lanzar desde el suelo una piedra verticalmente, su energía mecánica inicial es sólo cinética, ya que no tiene altura en un principio. A medida que asciende, va perdiendo velocidad (y energía cinética); pero gana altura (energía potencial), de manera que la suma de ambas -que define la energía mecánica- se mantiene constante. Cuando llega al punto de máxima altura, su velocidad es nula, así como su energía cinética; pero no la potencial, que es máxima e igual a la mecánica. La energía cinética inicial se ha transformado en potencial, pero la mecánica se ha mantenido constante en todos los puntos de la trayectoria. Cuando existe rozamiento en un cuerpo, la energía mecánica no se mantiene constante. Parte de ella se invierte en vencer a las fuerzas de rozamiento y se pierde en forma de calor. Es lo que sucede siempre, en mayor o menor medida: los cuerpos tienden a pararse. Cuando chutas una pelota de fútbol, por ejemplo, sale con una energía cinética dada por tu chute; pero acabará parándose porque hay una fricción con el suelo y con el aire, lo que provoca que la energía inicial de la pelota se haya convertido en calor. La energía de los pequeños meteoroides al entrar en la atmósfera terrestre es muy elevada, pero al llegar a la superficie de la Tierra es imperceptible. Casi toda la energía inicial se transforma en calor al friccionar con los gases de la atmósfera. La energía que se convierte en calor es tan grande que los meteoroides acaban deshaciéndose en trozos muy pequeños a medida que avanzan dentro de la atmósfera. FUENTES DE ENERGÍA El desarrollo de la humanidad está atado al descubrimiento y uso de las diferentes fuentes de energía que han permitido la mejora de las condiciones de vida de nuestra sociedad en muchos ámbitos: vivienda, alimentación, salud, cultura, trabajo, etc. Las fuentes de energía son el conjunto de recursos existentes en la naturaleza al alcance del ser humano y con los cuales se puede obtener la energía necesaria para utilizar en el desarrollo de sus actividades. Las fuentes de energía se pueden clasificar en renovables y no renovables, tal como se muestra a continuación en la Tabla 1. Trabajo y energía 4

5 Tabla 1: tipos de fuentes de energía. Fuentes Definición Ejemplos Renovables No renovables Prácticamente inextinguibles. Se encuentran de forma casi ilimitada en la naturaleza. No son ilimitadas y, por lo tanto, se pueden agotar. Solar Eólica Biomasa Mareomotriz Geotérmica Carbón Petróleo Gas Elementos fisionables (uranio) Actualmente, las fuentes de energía no renovables son las que más se utilizan para obtener energía; sobre todo el petróleo, el carbón y el gas. Figura 1: porcentaje de uso de las principales fuentes energéticas en el mundo durante el Consumo total Mtep Gas natural 20,7 % Carbón 25,3 % Combustibles renovables y residuos 10,0 % Nuclear 6,3 % Hidroeléctrica 2,2 % Otras 0,5 % Petróleo 35,0 % Ahorro energético La tep es la unidad que se utiliza para medir los grandes consumos de energía y equivale a la que libera una tonelada de petróleo al ser quemada: J. (Una Mtep es un millón de teps). Las fuentes de energía no renovables tarde o temprano se acabarán agotando. Actualmente, estos tipos de fuentes son las más importantes para obtener la energía necesaria para nuestra civilización. La obtención de energía a partir del petróleo, el carbón y el gas requiere la combustión de estos elementos. Eso quiere decir que se emiten a la atmósfera diferentes gases contaminantes, algunos de ellos causantes del cambio climático y de problemas ambientales y de salud en las personas. Trabajo y energía 5

6 Para paliar los efectos perjudiciales para la naturaleza y la salud de las personas y alargar al máximo las reservas de estas fuentes, es necesario tomar medidas para ahorrar energía. Algunas de ellas las puedes aplicar en tu vida diaria: Apagar las luces y los electrodomésticos que no sean necesarios. Moderar el consumo de la calefacción en invierno y del aire acondicionado en verano. Comprar, siempre que sea posible, aquellos productos con menos envoltorio de plástico. Desplazarse siempre que se pueda en transporte público. Envolver el bocadillo con papel en lugar de hacerlo con papel de aluminio. Reciclar los residuos. Trabajo y energía 6

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