Estática y dinámica

UNIDAD I

TRABAJO Y ENERGÍA

La energía se puede presentar en distintas formas. Por ejemplo, en su forma natural se puede percibir como energía solar, hidráulica, eólica, marítima, etc. Aunque, seguramente, también conoces otras formas de energía tal como la eléctrica, la nuclear, la química, entre otras. El concepto denominado “trabajo” el cuál se utiliza comúnmente para definir cualquieractividad que involucre un esfuerzo, ya sea mental o físico, como pudiera ser el subir una escalera, caminar, destapar un refresco, mover una silla, levantar una caja, etc.
Se puede considerar al trabajo como una medida de la transmisión de energía que emplea la combinación de desplazamiento y de fuerza, donde ambos se representan por medio de vectores. Entonces, es factible decir que existe unarelación proporcional entre el trabajo efectuado, la fuerza ejercida y el desplazamiento. De manera más específica, el trabajo se puede definir en forma general como:
El producto de una fuerza constante por la distancia en que ésta actúa sobre el objeto de manera que dicho objeto es desplazado en una dirección determinada, traducido matemáticamente el trabajo se expresa como:
Donde:


Lasunidades del trabajo en el Sistema Internacional son, la unidad de fuerza por la unidad de longitud, es decir, Newton por metro (Nm), ésta unidad es conocida como Joule, en honor al físico inglés James P. Joule. Su equivalencia sería:

1 Joule ( J ) = 1 Newton metro ( N m )
Un joule ( J ) se define como: el trabajo realizado por una fuerza de un Newton a lo largo de una distancia de un metro,en dirección de la fuerza aplicada.
Si observas nuevamente los casos anteriores notarás que las fuerzas horizontales y/o verticales son las que efectúan trabajo. Como recordarás, la definición de trabajo implica acción y movimiento, sin embargo, para iniciar el movimiento de un objeto se requiere la aplicación de una fuerza externa, para vencer las fuerzas que se oponen a dicho movimiento.Estas fuerzas opositoras, en el movimiento horizontal, son las fuerzas de fricción, mientras que en el movimiento vertical, son las fuerzas debido al peso de los objetos. Ambas fuerzas, fricción y peso, dependen de la fuerza de gravedad del campo gravitacional de la tierra.
Decimos que la fuerza de fricción depende también de la fuerza gravitacional porque depende de la fuerza normal, la cuál esla fuerza que ejerce la superficie sobre cualquier objeto debido al peso del mismo, es decir:



Donde:

Y la fricción se relaciona con la fuerza normal de la siguiente manera:

Donde:

En resumen, podemos decir que, la fuerza de fricción tanto como la del peso dependen de la fuerza gravitacional de la tierra ya que ambas se relacionan. En el estudio de ésta unidadconsideraremos exclusivamente el trabajo realizado contra éstos dos tipos de fuerzas, no tomando en cuenta otros tipos de fuerzas disipativas, tal como la fuerza ejercida por la resistencia del aire, etc.

Por último, cabe mencionar que existe un caso donde la fuerza de fricción y el peso se combinan al mismo tiempo, esto ocurre en el caso del plano inclinado, el cuál requiere de un análisis másextenso, pero por lo pronto no se considerará éste caso. Únicamente se verá, en forma general, en una practica que realizaras en tu laboratorio de física II, donde se desprecia la fuerza de fricción en éste caso.

TRABAJO EFECTUADO POR FUERZAS VARIABLES

En los casos anteriores se analizó el trabajo efectuado por fuerzas constantes. Sin embargo, existen muchos otros casos en donde la fuerzaaplicada es variable y se requiere de matemáticas avanzadas para poder calcular el trabajo efectuado. No obstante, en ciertos casos es posible determinarlo mediante la fuerza promedio (Fpromedio). Un ejemplo de fuerza variable, cuyo análisis en términos de fuerza promedio resulta relativamente sencillo, es la fuerza que se ejerce en un resorte en donde se combina la ecuación de trabajo efectuado del...