Trabajo - energia
Páginas: 14 (3337 palabras)
Publicado: 31 de mayo de 2010
1. TRABAJO
Seguramente estará de acuerdo en que cuesta trabajo mover un sofá pesado, levantar una pila de libros del piso hasta colocarla en un estante alto, o empujar un auto averiado para retirarlo del camino. Todos estos ejemplos concuerdan con el significado cotidiano de trabajo: cualquier actividad que requiere esfuerzo muscular o mental.
En física, el trabajo tiene una definiciónmucho más precisa. Al utilizar esa definición, descubriremos que, en cualquier movimiento, por complicado que sea, el trabajo total realizado sobre una partícula por todas las fuerzas que actúan sobre ella es igual al cambio en su energía cinética: una cantidad relacionada con la rapidez de la partícula. Ésta relación se cumple aún si dichas fuerzas no son constantes. Los conceptos de trabajo yenergía cinética nos permitirán resolver problemas de mecánica que no podríamos haber abordado antes.
Los tres ejemplos de trabajo antes mencionados –mover un sofá, levantar una pila de libros y empujar un auto- tienen algo en común, realizamos trabajo ejerciendo una fuerza sobre un cuerpo mientras éste se mueve de un lugar a otro, es decir, sufre un desplazamiento. Efectuamos más trabajo si lafuerza es mayor (tiramos más fuerte del sofá) o si el desplazamiento es mayor (lo arrastramos una mayor distancia).
El físico define el trabajo con base en estas observaciones. Considere un cuerpo que sufre un desplazamiento de magnitud s en línea recta. (Por ahora, supondremos que todo cuerpo puede tratarse como partícula y haremos caso omiso de cualquier rotación o cambio en la forma delcuerpo). Mientras el cuerpo se mueve, una fuerza constante F actúa sobre él en la dirección del desplazamiento s (Fig. 1.1). “Definimos el trabajo W realizado por esta fuerza constante en estas condiciones, como el producto de la magnitud F de la fuerza y la magnitud s del desplazamiento”:
W = Fs (fuerza constante en dirección del desplazamiento rectilíneo) (1.1)
(Figura 1.1)
El trabajoefectuado sobre el cuerpo es mayor si la fuerza F o desplazamiento s es mayor, lo que coincide con nuestras observaciones.
La unidad de trabajo en el SI es el joule (que se abrevia J, se pronuncia “yul” y fue nombrado así en honor del físico inglés del siglo XIX James Prescott Joule).
Por la ecuación anterior, vemos que, en cualquier sistema de unidades, la unidad de trabajo es la unidad defuerza multiplicada por la de distancia. En el SI, la unidad de fuerza es el newton y la de distancia es el metro, así que un joule equivale a un newton-metro (Nm):
1 joule = (1 newton)(1 metro) ó 1 J = 1 N m
En el sistema británico, la unidad de fuerza es la libra (lb) y la de distancia es el pie, y la unidad de trabajo es el pie-libra (ft lb). Estas conversiones son útiles:
1 J= 0.7376 ftlb 1 ftlb = 1.356 J
Como ilustración de la ecuación 1.1, pensemos en una persona que empuja un auto averiado. Si lo empuja a lo largo de un desplazamiento s con una fuerza constante F en la dirección del movimiento, la cantidad de trabajo que efectúa sobre el auto está dada por la ecuación 1.1:
W = Fs. Sin embargo, ¿y si la persona hubiera empujado con un ángulorespecto al desplazamiento del auto? (Fig. 1.2)
(Fig. 1.2)
Sólo la componente de fuerza en la dirección del movimiento del auto sería útil para moverlo. (Otras fuerzas deben actuar en el auto para que se mueva en la direccións, no en la dirección de F, pero sólo nos interesa el trabajo realizado por la persona, así que sólo consideraremos la fuerza que ella ejerce). Si la fuerza F y eldesplazamiento s tienen diferente dirección, tomamos la componente de F en la dirección s, y definimos el trabajo como el producto de esta componente y la magnitud del desplazamiento. La componente de F en la dirección de s es F cos , así que
W=Fscos (fuerza constante, desplazamiento rectilíneo) (1.2)
Estamos suponiendo que F y son constantes durante el desplazamiento. Si = 0 y Fy s tienen la...
Seguramente estará de acuerdo en que cuesta trabajo mover un sofá pesado, levantar una pila de libros del piso hasta colocarla en un estante alto, o empujar un auto averiado para retirarlo del camino. Todos estos ejemplos concuerdan con el significado cotidiano de trabajo: cualquier actividad que requiere esfuerzo muscular o mental.
En física, el trabajo tiene una definiciónmucho más precisa. Al utilizar esa definición, descubriremos que, en cualquier movimiento, por complicado que sea, el trabajo total realizado sobre una partícula por todas las fuerzas que actúan sobre ella es igual al cambio en su energía cinética: una cantidad relacionada con la rapidez de la partícula. Ésta relación se cumple aún si dichas fuerzas no son constantes. Los conceptos de trabajo yenergía cinética nos permitirán resolver problemas de mecánica que no podríamos haber abordado antes.
Los tres ejemplos de trabajo antes mencionados –mover un sofá, levantar una pila de libros y empujar un auto- tienen algo en común, realizamos trabajo ejerciendo una fuerza sobre un cuerpo mientras éste se mueve de un lugar a otro, es decir, sufre un desplazamiento. Efectuamos más trabajo si lafuerza es mayor (tiramos más fuerte del sofá) o si el desplazamiento es mayor (lo arrastramos una mayor distancia).
El físico define el trabajo con base en estas observaciones. Considere un cuerpo que sufre un desplazamiento de magnitud s en línea recta. (Por ahora, supondremos que todo cuerpo puede tratarse como partícula y haremos caso omiso de cualquier rotación o cambio en la forma delcuerpo). Mientras el cuerpo se mueve, una fuerza constante F actúa sobre él en la dirección del desplazamiento s (Fig. 1.1). “Definimos el trabajo W realizado por esta fuerza constante en estas condiciones, como el producto de la magnitud F de la fuerza y la magnitud s del desplazamiento”:
W = Fs (fuerza constante en dirección del desplazamiento rectilíneo) (1.1)
(Figura 1.1)
El trabajoefectuado sobre el cuerpo es mayor si la fuerza F o desplazamiento s es mayor, lo que coincide con nuestras observaciones.
La unidad de trabajo en el SI es el joule (que se abrevia J, se pronuncia “yul” y fue nombrado así en honor del físico inglés del siglo XIX James Prescott Joule).
Por la ecuación anterior, vemos que, en cualquier sistema de unidades, la unidad de trabajo es la unidad defuerza multiplicada por la de distancia. En el SI, la unidad de fuerza es el newton y la de distancia es el metro, así que un joule equivale a un newton-metro (Nm):
1 joule = (1 newton)(1 metro) ó 1 J = 1 N m
En el sistema británico, la unidad de fuerza es la libra (lb) y la de distancia es el pie, y la unidad de trabajo es el pie-libra (ft lb). Estas conversiones son útiles:
1 J= 0.7376 ftlb 1 ftlb = 1.356 J
Como ilustración de la ecuación 1.1, pensemos en una persona que empuja un auto averiado. Si lo empuja a lo largo de un desplazamiento s con una fuerza constante F en la dirección del movimiento, la cantidad de trabajo que efectúa sobre el auto está dada por la ecuación 1.1:
W = Fs. Sin embargo, ¿y si la persona hubiera empujado con un ángulorespecto al desplazamiento del auto? (Fig. 1.2)
(Fig. 1.2)
Sólo la componente de fuerza en la dirección del movimiento del auto sería útil para moverlo. (Otras fuerzas deben actuar en el auto para que se mueva en la direccións, no en la dirección de F, pero sólo nos interesa el trabajo realizado por la persona, así que sólo consideraremos la fuerza que ella ejerce). Si la fuerza F y eldesplazamiento s tienen diferente dirección, tomamos la componente de F en la dirección s, y definimos el trabajo como el producto de esta componente y la magnitud del desplazamiento. La componente de F en la dirección de s es F cos , así que
W=Fscos (fuerza constante, desplazamiento rectilíneo) (1.2)
Estamos suponiendo que F y son constantes durante el desplazamiento. Si = 0 y Fy s tienen la...
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