Energía. Tiene distintas formas:

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María Nieves Espinoza Blanco
hace 6 años
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1 Trabajo y energia

2 Contenido Energía: definición, unidades Trabajo: Potencia Teorema del trabajo y la energía cinética Tipos de energía: cinética y potencial Formas de energía: térmica, nuclear, magnética, química, etc. Fuerzas conservativas y no conservativas Ley de conservación de la energía

3 Energía Definición. Energía (del griego en, dentro y ergon, trabajo): es la capacidad de efectuar un trabajo. Es una propiedad de la materia asociada a un cambio en un sistema. La energía es una magnitud escalar. La energía no es una entidad en y por sí misma, no existe tal cosa como energía pura (Hecht, p.75 y ss)

4 Energía Tiene distintas formas: Eléctrica, potencial gravitatoria, nuclear, química, térmica, La energía se transfiere de una forma a otra forma, de un sistema a otro sistema Se mide el cambio de energía de un sistema La energía es una variable de proceso: se determina entre dos puntos del sistema.

5 Trabajo Definición. Es el cambio en la energía de un sistema que resulta de la aplicación de una fuerza que actúa a lo largo de un desplazamiento Sean F una fuerza que actúa sobre un objeto y forma un ángulo θ con la Horizontal en la dirección del movimiento, y se desplaza una distancia d El trabajo realizado se define por: F F θ θ Δr W F rcos

6 Trabajo por una fuerza constante Trabajo fuerza desplazamiento En la ecuación: W F rcos La componente de la fuerza en la dirección del movimiento es la única componente que efectúa trabajo F cos

7 Recuerde Cos 0º = Cos 90º =0 Si la fuerza aplicada está en la misma dirección y sentido que el desplazamiento el trabajo es máximo. Si la fuerza aplicada es perpendicular al desplazamiento el trabajo es nulo.

8 Trabajo por una fuerza variable En un gráfico Fuerza = f(desplazamiento) el trabajo es el área debajo de la curva Fuerza desplazamiento

El trabajo se mide en Joules Otras unidades y conversión: Caloría kcal = 4.86 J Ergio Kilowatthora kilowatthora = 3.

9 El trabajo se mide en Joules Otras unidades y conversión: Caloría kcal = 4.86 J Ergio Kilowatthora kilowatthora = MJ BTU (unidad térmica británica) BTU = 055 J J= pie libra Electronvolt (ev) ev=.60x0-9 J en el SI Unidad de medida del trabajo en SI: Joule (J) = Newton x metro J= Nm

Ángulo ϴ Cos ϴ Trabajo Conclusión Entre 0 y 90 Mayor que 0 Positivo La fuerza tiene una componente en la dirección del desplazamiento Entre 90 y 80 Menor que 0 Negativo La fuerza tiene una

10 Ángulo ϴ Cos ϴ Trabajo Conclusión Entre 0 y 90 Mayor que 0 Positivo La fuerza tiene una componente en la dirección del desplazamiento Entre 90 y 80 Menor que 0 Negativo La fuerza tiene una componente opuesta al desplazamiento 90 0 Nulo La fuerza tiene una componente perpendicular al desplazamiento En el movimiento circular, el trabajo realizado por la fuerza centrípeta es cero, por qué?

11 Se realiza trabajo al levantar la caja ( por qué?) No se realiza trabajo en la para moverla horizontalmente ( por qué?)

12 Trabajo negativo y trabajo total Trabajo total (o neto) realizado por varias fuerzas: a. Método. El trabajo total realizado por las fuerzas sobre el cuerpo es la suma algebraica de los trabajos realizados por las fuerzas individuales: Wtotal Wi W W W3 b. Método. Buscar la fuerza neta y aplicar la definición W F s W ( F cos ) s

13 Trabajo neto y movimientos Movimiento rectilineo uniforme: trabajo neto es cero, ya que no hay aceleración y la fuerza neta es cero. Movimiento rectilíneo uniformemente variado: la aceleración es constante, la fuerza neta es constante, el trabajo neto es no nulo. Movimiento circular uniforme: la fuerza neta es perpendicular al desplazamiento lineal, entonces, cos90º=0 y el trabajo neto es nulo.

14 v Teorema trabajo-energía cinética Consideremos una fuerza constante F: F f W ma v i sustituyendo Fx max v m f ax v i Llamemos K W Ec Ec f Ec ad mv Ec f i v mv f v mv i i Δx d El trabajo realizado sobre un objeto de masa m es igual a la variación de la energía cinética (Nota: sólo se aplica a cuerpos rígidos), podemos escribir la ec.anterior como F F

15 Energía cinética La energía cinética siempre es no negativa. La energía cinética es una magnitud escalar. En el SI, se mide en Joule. La energía cinética es directamente proporcional al cuadrado de la magnitud de la velocidad. Si la velocidad de duplica, la energía cinética se cuadruplica. Ec = mv Ejercicio: exprese la energía cinética en términos de la cantidad de movimiento lineal

Energía potencial Ep Definición: es la energía que se almacena en un sistema de objetos que interactúan, debido a la configuración o posición en relación con una fuerza.

16 Energía potencial Ep Definición: es la energía que se almacena en un sistema de objetos que interactúan, debido a la configuración o posición en relación con una fuerza. Ejemplo: Fuerza Energía potencial Nota: El nivel cero de referencia es arbitrario para la energía potencial Gravitatoria Elástica en un resorte Electromagnética (enlaces químicos) Ep gravitatoria Ep elástica Ep química

17 Energía potencial De manera análoga, el cambio en la energía potencial de un cuerpo debido al movimiento de un punto a otro es igual al trabajo efectuado para contrarrestar la interacción que almacena la energía

Energía potencial gravitacional Para elevar un objeto (por ejemplo, un ladrillo) de masa m, desde una posición y a posición y se aplica una fuerza externa ascendente F ext que se opone a la fuerza

18 Energía potencial gravitacional Para elevar un objeto (por ejemplo, un ladrillo) de masa m, desde una posición y a posición y se aplica una fuerza externa ascendente F ext que se opone a la fuerza gravitatoria F g. El trabajo realizado por la fuerza externa es: W ext = F ext Δycos θ = mgh = mg y y El trabajo realizado por la fuerza Nivel de referencia gravitaría es: W g = F g Δy cos θ = mgh cos80º = mgh = mg y y Elevar el objeto a una altura y del nivel de referencia (como el suelo): Ep grav = mgy

19 Energía potencial gravitacional A mayor altura mayor energía potencial El nivel de referencia es arbitrario, respecto al cual se mide la altura. Lo que interesa es el cambio en la energía potencial. El cambio de energía potencial se puede expresar por: En términos de la fuerza externa: W ext = mg y y = Ep Ep = ΔEp En términos de la fuerza gravitacional: W g = mg y y = Ep Ep = ΔEp El trabajo realizado por la gravedad conforme al objeto de masa m se mueve desde el punto al punto es igual al negativo de la diferencia en la energía potencial entre las posiciones y.

20 Energía potencial La energía potencial pertenece a un sistema (objeto más la Tierra) y no a un solo objeto en particular La energía potencial está asociada a una fuerza (conservativa). Una fuerza sobre un objeto siempre la ejerce algún otro objeto

21 Energía potencial elástica Energía potencial elástica Para un resorte lineal, se cumple la Ley de Hooke: F kx K es constante elástica, x deformación Ep área debajo de la curva Ep e Ep Ep Ep e e ( kx elas elas ( F k( x Ep elas kx F kx )( x )( x x ) Ep x elas ) x ) k( x x )( x F x ) x x x

22 Energía potencial elástica F Ep elas x x Parábola

23 Fuerzas conservativas El trabajo es independiente de la trayectoria. El trabajo en una trayectoria cerrada se nulo El trabajo sólo depende del punto inicial y punto final Siempre que hay una fuerza conservativa existe una energía potencial asociada Ejemplos: fuerza gravitatoria, fuerza elástica W= Ep Ep W= ΔEp a b W a = W b = Wc c

24 Fuerza no conservativa Fuerza no conservativa o fuerza disipativa: Es aquella que realizan un trabajo que depende de la trayectoria recorrida por la partícula. Ejemplo: fuerza de fricción, resistencia del aire, tensión sobre una cuerda. a b W a W b Wc c

25 Energía mecánica y su conservación La energía mecánica de un sistema es la suma de la energía cinética y la suma de la energía potencial gravitacional. Em=Ec+Ep En todo momento del movimiento, la energía mecánica total es constante (se conserva), si sólo actúan fuerzas conservativas. E m = E m = constante

26 Trabajo realizado por fuerzas no conservativas El trabajo total (neto) es la suma de los trabajos realizados por las fuerzas conservativas (C) y por las fuerzas no conservativas (NC). W neto = W C + W NC Por el principio trabajo-energía: W neto = ΔEc Por tanto, W NC = ΔEc W C Como el trabajo realizado por una fuerza conservativa se puede expresar en términos de la energía potencial, W C = ΔEp Resulta: W NC = ΔEc + ΔEp

27 Ley de conservación de la energía La energía total de cualquier sistema aislado del resto del Universo permanece constante, aunque la energía puede ser transformada de una forma a otra dentro del sistema. ΔEc + ΔEp = W C

28 Potencia Definición. La potencia, P, es la rapidez con la que se efectúa un trabajo. rapidez, ritmo o tasa a la cual se está realizando un trabajo o se está transfiriendo energía. Potencia W P media [ potencia media] t W P [ potencia media] t Fr P Fv cos t P Fv cos P Fv trabajo efectuado intervalo de tiempo [si el ángulo es igual a cero]

29 Unidades de potencia La unidad SI de potencia es el watt (W). Joule Watt segundo Otras unidades de potencia: hp = 746 W Unidad de energía expresada en unidades de potencia: kwh 3.6MJ El kwh= kilowatt-hora, es una unidad de energia

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