travajo y energia

TRABAJO Y ENERGÍA
Hasta ahora hemos estudiado el movimiento de una partícula en términos de las tres leyes del movimiento de Newton. En este análisis la fuerza desempeña un papel central como cantidad que determina el movimiento. En este capítulo y el siguiente describiremos un análisis alterno del movimiento de una partícula en términos de la cantidad de energía y la cantidad de movimiento. Laimportancia de estas cantidades radica en que se conservan. Es decir, en circunstancias bas­tante generales permanecen constantes. El que estas cantidades se conserven no sólo nos da una perspectiva más profunda de la naturaleza del mundo, sino que nos proporciona otro método para resolver problemas prácticos. En el presente-capítulo todavía consideramos únicamente el movimiento de traslación,sin rotación.
Las leyes de la conservación de la energía y la cantidad de movimiento tienen especial valor para manejar sistemas con muchos objetos en los que sería difícil tomar en cuenta las fuerzas que intervienen.
Este capítulo está dedicado al importantísimo concepto de energía, y al concepto de trabajo estrechamente relacionado, que son cantidades escalares y no tienen dirección asociada conellas. Como son escalares, con frecuencia es más fácil su manejo que en las fuerzas vectoriales. La energía debe su impor­tancia a dos aspectos. Primero, es una cantidad que se conserva. Segundo, la energía es un concepto que no sólo es útil en el estudio del movimiento, sino en todas las áreas de la física, y también de otras ciencias. Pero antes de describir la energía misma, examinaremos elconcepto de trabajo.
Cuando tratamos de arrastrar un bloque con una cuerda, como se ve en la figura a, no pasa nada. Estamos ejerciendo una fuerza y sin embargo el bloque no se ha movido.


Por otra parte, si incrementamos en forma continua esta fuerza, llega­rá un momento en que el bloque se desplazará. En este caso hemos logrado algo en realidad a cambio de nuestros esfuerzos. Este logro sedefine en física como trabajo. El término trabajo tiene una definición operacional explícita, cuantitati­va. Para que se realice un trabajo se deben cumplir tres requisitos:
1. Debe haber una fuerza aplicada.
2. La fuerza debe actuar a través de cierta distancia, llamada desplaza­miento.
3. La fuerza debe tener una componente a lo largo del desplazamiento.
Suponiendo que se cumplan estascondiciones, se puede dar una defi­nición formal de trabajo:
Trabajo es una cantidad escalar igual al producto de las magni­tudes del desplazamiento y de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento.
Trabajo = Componente de la fuerza x desplazamiento
Trabajo = Fx · d
En esta ecuación, Fr es la componente de F a lo largo deldesplazamien­to d. En la figura
, únicamente Fx, contribuye al trabajo. Su magnitud puede determinarse por trigonometría, y el trabajo se puede expresar en términos del ángulo θ formado entre
F y d: Trabajo = (Fcosθ)· d
Con mucha frecuencia, la fuerza que realiza el trabajo está dirigida íntegramente a lo largo del desplazamiento. Esto sucede cuando un peso eselevado en forma vertical, o cuando una fuerza horizontal arrastra un obje­to por el piso. Es estos casos sencillos,
Fx = F, y el trabajo es simplemente el producto de la fuerza por el desplazamiento:
Trabajo = F· d
Otro caso especial se presenta cuando la fuerza aplicada es perpendicu­lar al desplazamiento. En esta situación, el trabajoserá de cero, puesto que Fx = 0
Un ejemplo es el movimiento paralelo a la superficie terrestre, en el cual la gravedad actúa verticalmente hacia abajo y es perpendicular a lodos los des­plazamientos horizontales. En esos casos, la fuerza de gravedad no influye.
Observe que las unidades de trabajo son las unidades de fuerza multiplicadas por las de distancia. Por lo tanto, en unidades del SI,...