Definición y áreas de interés Proyecto
Salón Hogar
L a G r a n E n c i c l o p e d
i a I l u s t r a d a d e l P r o y e c t o S a l ó n H o
g a r
Trabajo y Potencia
mecánica
Los cambios en el movimiento de los objetos están
relacionados con la fuerzas y con el tiempo durante el cual se
ejercen. Pero también se pueden considerar fuerza con la
distancia y es cuando se habla de una cantidad denominada
Trabajo. Este término tiene un significado en
Física muy diferente a su significado cotidiano. Posteriormente
se plantea la relación energía-trabajo. También se define el
concepto de potencia que relaciona el trabajo y
el tiempo. Finalmente se concluye con los aspectos más
importantes de la energía mecánica en
particular porque representa la suma de la energía cinética y la
energía potencial de un sistema y que se mantiene constante en
todos los puntos de una trayectoria.
Trabajo
En el campo de la Física no se habla de trabajo
simplemente, sino de Trabajo Mecánico y se dice que una fuerza
realiza trabajo cuando desplaza su punto de aplicación en su
misma dirección. El Trabajo Mecánico se puede designar con la
letra T o W.
Cuando se levanta un objeto pesado contra la fuerza de gravedad
se hace trabajo. Cuanto más pesado sea el objeto, o cuanto más
alto se levante, mayor será el trabajo realizado. En todos los
casos en los que se realiza un trabajo intervienen dos factores:
(1) la aplicación de una fuerza y
(2) el movimiento de un objeto,
debido a la acción de dicha fuerza.
Considere el caso más simple en que la fuerza es
constante y el movimiento es en línea recta y en la dirección de
la fuerza. Entonces el trabajo que realiza la fuerza aplicada
sobre un objeto se define como el producto de la fuerza por
distancia que recorre el objeto. El trabajo es el producto de la
componente de la fuerza que se ejerce en la dirección del
movimiento por la distancia recorrida. En forma abreviada
Trabajo = Fuerza X distancia T = F.d
Si levantas dos cargas a una altura de un piso, haces el doble
de trabajo que si levantas una carga porque requiere el doble de
fuerza para levantar el doble de peso. Análogamente, si levantas
una carga a una altura de dos pisos en lugar de uno, realizas el
doble trabajo porque la distancia es doble.Observa que en la
definición de trabajo intervienen una fuerza y una distancia. Un
levantador de pesas que sostiene sobre su cabeza unas pesas de
1000 New no realiza trabajo sobre la barra. Quizá se fatigue al
hacerlo, pero si la barra no se mueve por la acción de la fuerza
que él ejerce, el levantador de pesas no realiza trabajo alguno.
Tal vez realice trabajo sobre los músculos por estiramiento y
contracción, que tienen el efecto de una fuerza por una
distancia en la escala biológica, pero este trabajo no se está
realizando sobre la barra. Cuando el levantador de pesas las
levanta del suelo, está realizando trabajo sobre la barra.
En general, el trabajo se puede dividir en dos
categorías. Una de ellas es cuando se hace trabajo contra otra
fuerza. Cuando un arquero extiende la cuerda del arco está
haciendo trabajo contra las fuerzas elásticas del arco., se hace
trabajo contra la fuerza de gravedad. Cuando haces abdominales
estás haciendo trabajo contra tu propio peso. Se hace trabajo
sobre un objeto cuando lo fuerzas a moverse en contra de la
acción de una fuerza opuesta... con frecuencia la fricción.
El otro tipo de trabajo es el que se realiza
para hacer cambiar la rapidez de un objeto. Es la clase de
trabajo que se requiere para aumentar o disminuir la velocidad
de un auto.
La energía puede transferirse o cambiar de forma
si se ejerce una fuerza sobre un objeto mientras se mueve a
cierta distancia. Esta forma de transferencia de energía se
denomina “hacer trabajo”. Considere un cuerpo que es arrastrado
sobre una superficie horizontal, sometido a la acción de una
fuerza . Suponga que la
fuerza es constante y
que el cuerpo se desplaza una distancia d.
Siendo q el ángulo entre
y la dirección del
desplazamiento del cuerpo, el trabajo T
realizado por la fuerza
, se define de la
siguiente manera: El trabajo que desarrolla una fuerza
constante , que
forma un ángulo q con el
desplazamiento ,
está dado por: T =F.d.cos
q Donde F y
d son los módulos de la fuerza y
el desplazamiento respectivamente.
El trabajo realizado por una
fuerza constante
que forma
con el desplazamiento
un ángulo
q, es una magnitud
escalar que se mide por el producto de los módulos
de desplazamiento y la componente de la fuerza en la
dirección del desplazamiento.
Si se aplica una fuerza a un cuerpo y éste no
sufre desplazamiento alguno (d=0), el
trabajo de dicha fuerza es nulo. De modo que si una persona
sostiene un objeto muy pesado sin desplazarlo no está realizando
trabajo desde el punto de vista de la física. El ejemplo
anterior muestra que el concepto físico del trabajo no concuerda
con el concepto ordinario de la palabra; es decir, que aunque la
persona “sude la gota gorda” sosteniendo el cuerpo, si no cambia
de posición, físicamente su trabajo realizado es nulo. Sin
embargo, desde el punto de vista del lenguaje común, dicha
persona si estaría trabajando.
El Trabajo Mecánico, como producto de dos magnitudes
( y
) que tienen módulo,
dirección y sentido, ofrece varias modalidades que se deben
analizar de acuerdo a la ecuación T =F.d.cosq
:
1) Cuando q = 0º, se tiene que cos
0º= 1. En este caso y
tienen la misma
dirección y sentido y el trabajo mecánico es máximo:
T =F.d
2) Cuando q = 90º, se tiene
que cos 90º = 0. En este caso la fuerza y el desplazamiento son
perpendiculares entre sí y el trabajo realizado es nulo:
T = 0
3) Cuando 0º
q < 90º, el trabajo es positivo,
por ser cos q positivo. En este
caso la fuerza aplicada al objeto tiene una componente en la
misma dirección y sentido del desplazamiento.
4) Cuando 90º < q 180º el trabajo es
negativo por ser cos q negativo. En este caso la fuerza aplicada
al objeto tiene una componente en la misma dirección del
desplazamiento, pero de sentido opuesto.
Trabajo resistente
De acuerdo con lo anterior también se puede expresar el
Trabajo así:
Trabajo Motor: T =
F.d Trabajo Resistente: T = -
F.d Trabajo Útil: Como el trabajo resultante de las suma
algebraicas de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo y que
realizan trabajo mecánico.
T = T1 +
T3 + ...
Tn
Posibilidades para que
sobre un cuerpo se realice un trabajo nulo
Si un cuerpo se ha desplazado, no necesariamente se ha
efectuado trabajo sobre él; es el caso que contempla la primera
ley de Newton, que un cuerpo que se mueve a velocidad constante
en movimiento rectilíneo, a pesar de que el cuerpo se está
desplazando, la fuerza neta aplicada sobre él es nula. Luego, el
trabajo realizado sobre el cuerpo es nulo. El trabajo
Tefectuado sobre un cuerpo es cero,
siendo distinta de
cero y el desplazamiento neto del cuerpo igual a cero.
Cuando la fuerza y el
desplazamiento son
perpendiculares, es decir, forman ángulo de 90º; en dicha
situación el trabajo es nulo por ser cos 90º = 0; luego, toda
fuerza perpendicular al desplazamiento no efectúa trabajo sobre
el cuerpo.
Joule
La unidad de medida de trabajo en el sistema internacional o
MKS es:
1 Newton X 1 metro = 1New.m.
Esta unidad se denomina Joule en
honor al físico inglés del siglo XIX James P, Joule quien
realizó diversos trabajos en el campo de estudio de la energía.
Luego:
1 New.m = 1 Joule = 1
Otra unidad para medir trabajo es el ergio (erg), que es
igual a:
1ergio = 1dina.cm
1J= 107
ergios.
Al igual que un kilográmetro (Kgm) es el trabajo realizado por
la fuerza de un Kilopondio (Kp) cuando su punto de aplicación se
desplaza un metro (m) en su misma dirección. 1Kgm = 9,8 Joules.
Un joule es el trabajo realizado
por la fuerza de un Newton cuando su punto de aplicación
se desplaza un metro en su misma dirección
Trabajo y energía
Una de las característica de la energía es que puede ser
transferida; es decir puede pasar de un cuerpo a otro. El agua
que hace girar las turbinas de un generador pierde energía y es
retardada en su movimiento. La rueda se pone en marcha y
consecuentemente gana energía. El trabajo realizado sobre la
rueda da una medida de la cantidad de energía transferida de un
sistema a otro. Se puede aceptar que un cuerpo posee energía
cuando es capaz de realizar un trabajo sobre otro.
Por ejemplo, una persona es capaz de realizar el trabajo de
levantar un cuerpo debido a la energía que le proporcionan los
alimentos que ingiere. Del mismo modo, el vapor de agua de una
caldera posee energía puesto que es capaz de efectuar el trabajo
de mover las turbinas de una planta generadora de electricidad.
. Suponga que la
fuerza 
,
está dado por: 
