Trabajo y energía

-------------------------------------------------
TRABAJO Y ENERGIA

Introducción
En ésta tercera unidad, después de haber estudiado el movimiento de los cuerpos y la segunda ley de Newton, estudiaremos la energía y el trabajo. Todo lo que nos rodea se ve afectado por la energía, que aunque no es una fuerza visible, se pueden ver sus efectos, por ejemplo al aplicarle una fuerza a una pelotade béisbol y que ésta salga volando cierta distancia según la fuerza que se le aplique. Es importante estudiar éste tema porque cuando estemos laborando en una empresa se nos pueden presentar problemas de este tipo y para saber resolverlos va a ser necesario estar preparados con conocimientos elementales de la física.
Veremos y aprenderemos a aplicar los conceptos y fórmulas de trabajo y energíaen problemas prácticos, por ejemplo en el desplazamiento de un cuerpo sobre un plano inclinado, en el estiramiento de un resorte o en la fuerza que se necesita para levantar un cuerpo. Para esta nueva unidad, utilizaremos los conocimientos adquiridos en las dos unidades anteriores para poder resolver correctamente las situaciones que se nos presenten, utilizaremos por ejemplo los diagramas decuerpo libre y las fórmulas conocidas anteriormente. El método del trabajo y energía es conveniente porque no es necesario determinar la aceleración y relaciona directamente fuerza, masa, velocidad, desplazamiento y tiempo; por lo que se utilizará la ecuación F = ma junto con los principios de la cinemática.

Trabajo de una fuerza
Primero hay que tomar en cuenta la definición de desplazamiento ytrabajo.
Desplazamiento. Es el cambio de posición de un cuerpo, es decir la longitud de la trayectoria comprendida entre la posición inicial y la posición final de un punto material.
Trabajo. Es la fuerza que se aplica a lo largo de una distancia.
En la física que estudiamos, el trabajo que realiza una fuerza se define como el producto de ésta por el camino que recorre su punto de aplicación y porel coseno del ángulo que forman la una con el otro.1 El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra U (originalmente se utiliza la letra W, pero para evitar confusiones con el peso se utiliza la U) y se expresa en unidades de energía, esto es en Jouls en el Sistema Internacional de Unidades.
En la figura anterior, considerando el cuadrado de lado izquierdo el punto 1 yel de lado derecho el punto 2 y S la distancia entre ambos, el trabajo sería el coseno (componente en el eje X de F) de la Fuerza (F) en el ángulo por la distancia (S). Por lo tanto el trabajo es la fuerza necesaria para efectuar un desplazamiento del punto 1 al punto 2. Matemáticamente esto es: U1-2 = Fcoss
Para éste tipo de problemas es necesario realizar sumatoria de fuerzas, es decir aplicarla segunda ley de newton; primeramente haciendo un diagrama de cuerpo libre según los datos que se nos den y después despejando las incógnitas. Un punto importante en los diagramas de cuerpo libre es la Normal, pues si es un plano horizontal, ésta será igual al peso, pero si es un plano inclinado, habrá que determinar las componentes con el peso.
Trabajo de un peso
El trabajo de un peso esdefinido como la fuerza necesaria para desplazar un cuerpo de peso W de una altura Y1 a una altura Y2; para esto es necesario que la fuerza venza al peso. El trabajo del peso W de un cuerpo, esto es, de la fuerza que la gravedad ejerce sobre ese cuerpo se obtiene al sustituir las componentes de W en caso de existir con componentes en ambos ejes. La formula para determinar el trabajo de un peso sepuede definir: U1-2 = Wy1-Wy2
El trabajo de un peso se utilizará principalmente para complementar los problemas y encontrar la solución cuando se trate del trabajo de una fuerza o de un resorte, pues en ambas se aplica el trabajo de un peso W.

Problema ejemplo
Un objeto de 50lb se lanza hacia arriba con una velocidad de 40ft/s sobre un plano inclinado 20º. El coeficiente de fricción es de 0.15....