Fisica

TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA



1. Trabajo mecánico.

El concepto físico de trabajo va siempre unido a una fuerza que produce un desplazamiento.

Es esta una magnitud física que no tiene un significado intuitivamente claro. En lugar de dar una definición del mismo vamos a indicar cómo se calcula.

No podemos ver de momento la fórmula general del trabajo realizado por una fuerza, pues incluyeconceptos matemáticos que todavía no se han estudiado, como el de integral curvilínea y producto escalar. Pero sí podemos dar las expresiones para el cálculo del trabajo en algunos casos particulares.

El trabajo realizado por una fuerza constante, F, sobre un cuerpo viene dado por:

W = F.Δr.cos  (1)

donde F es el módulo de la fuerza, Δr el módulo de su desplazamiento y  el ángulo queforman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento1.

Como F. cos  es la componente de la fuerza aplicada en la dirección del desplazamiento, F║, con signo positivo si va en el mismo sentido que el desplazamiento y signo negativo si va en sentido contrario, se puede escribir también:

W = F║.Δr (2)

Si el cuerpo sobre el que se efectúa la fuerza se mueve en línea recta y sin cambiarde sentido2, entonces Δr es igual a la distancia recorrida por el mismo, d, y la anterior ecuación se puede escribir sencillamente:

W = F.d.cos  (3)

o lo que es lo mismo:

W = F║.d (4)

Se puede observar a partir de estas expresiones (y sería cierto también si utilizásemos la definición general de trabajo) que:

1. El trabajo es siempre el producto de una fuerza por una distancia. Suunidad en el S.I. es el julio (J):1 J = 1 N.m.

2. El trabajo es una magnitud escalar, no vectorial.

3. Para que se realice trabajo sobre un cuerpo es necesario que:

.- Actúe una fuerza sobre el.
.- La fuerza tenga una componente en la dirección del desplazamiento, es decir, no sea perpendicular a el.
.- Se produzca un desplazamiento.

4. El trabajo tiene signo, positivo o negativo ( pero esesigno no indica un sentido como pasa con las componentes de los vectores). El signo del trabajo depende del ángulo que forman la fuerza con el desplazamiento, . Si 0 ≤  < 90 (es decir, si F║ tiene el mismo sentido que el desplazamiento), el trabajo es positivo y hablamos de un trabajo motor. Si 90 <  ≤ 180 (F║ tiene sentido contrario al desplazamiento) el trabajo es negativo y decimos que seha realizado un trabajo resistente.

Como veremos al hablar de la energía se puede interpretar el trabajo realizado por una fuerza como la cantidad de energía que un cuerpo gana o pierde debido a la acción de dicha fuerza. El signo indica si el cuerpo gana (signo positivo) o pierde (signo negativo) energía.

5. Como el trabajo depende del desplazamiento del cuerpo, puede tomar valores distintossi se utilizan sistemas de referencia distintos.


2. Energía.

El concepto de energía es uno de los más importantes en Física y en general en casi cualquier ciencia experimental.

Aunque estamos muy acostumbrados a emplearlo y forma parte de nuestro vocabulario habitual, es un concepto muy difícil de definir con precisión.

Se puede definir informalmente la energía que posee un cuerpo como“una medida de su capacidad para realizar trabajo” y nosotros nos atendremos a esta definición durante este curso.3

Hay distintos tipos de energía (cinética, eléctrica, térmica, química, nuclear,….) pero en el fondo todos los tipos de energía se reducen a dos:

- Energía cinética, que es la que poseen los cuerpos debido su velocidad.
- Potencial (de la que existen unas pocas clases), que es la queposeen los cuerpos debido a su situación en el espacio (en particular a su posición respecto a otros cuerpos que pueden ejercer fuerzas sobre ellos).

Los cuerpos poseen energía y esa energía puede transformarse de un tipo en otro. Igualmente los cuerpos pueden transferirse energía de unos a otros. Sin embargo, la energía total del universo (y de cualquier sistema que permanezca aislado y no...