La energía y el trabajo

 

Como se ve en la anterior actividad una energía acumulada en un sistema (en las ligas del carrito) puede generar movimiento y por lo tanto trabajo y potencia.

Seguidamente examinaremos los dos tipos generales de energía de los cuerpos, a saber: Energía Cinética y Energía Potencial.

 

Energía Potencial

En términos general podemos decir que la energía potencial es la de los cuerpos en reposo.

Piense en términos del carrito de cuerda o fricción del experimento anterior. ¿cuál energía tenía acumulada en la cuerda que originó el movimiento?

________________________

Esa energía potencial originó un movimiento, un trabajo, por lo tanto, fácilmente se puede relacionar la energía potencial y el trabajo diciendo:

W = – ΔEp

W = – (Epf – Epi)

 

El signo – lo agregamos para indicar que éste trabajo se opone a la dirección del movimiento,

Ahora, debemos aclarar que hay dos tipos básicos de energía potencial

Energía Potencial Gravitacional y Energía Potencial en el caso de fuerzas elásticas.

Energía Potencial Gravitacional

 

Energía potencial gravitacional es la energía que posee un cuerpo en virtud de la altura a que se encuentre, de modo que si un cuerpo está a 10 m sobre la Tierra y otro a 20 m el que está a 20 m tiene más energía potencial porque:

 

Ep= m• g• h

 

 

Ep= energía potencial, se mide en Julios

 

m = masa, se mide en kilogramos.

g = gravedad, se mide en m/s2

h = Altura o distancia desde el suelo, se mide en metros

 

Ahora, imagine que usted (con masa de 70 Kg) va subiendo unas gradas y calcula su energía potencial en el suelo, a medio metro de altura y cuando está a un metro de altura, luego elabora la gráfica y queda como sigue:

¿Qué relación ve entre la energía potencial y la altura?

 

Haga una línea que una los puntos. De acuerdo con esa línea ¿qué proporción encuentra entre la energía potencial y la altura?

Nota relevante para el docente: https://www.fisicalinda.com/lessons/didactica-para-el-tema-de-trabajo/#te1

 

Energía Potencial en el caso de Fuerzas Elásticas

 

También es necesario que conozcas otra fórmula para calcular energía potencial; pero, en el caso de cuerpos elásticos o resortes, la fórmula para averiguar la energía potencia de un resorte es

k = Constante elástica del resorte. Note que k es positiva en esta fórmula. Se mide en N/m

 

x = Elongación (o estiramiento) del resorte. Se mide en metros

Ahora podemos cerrar un concepto de un experimento que realizamos en el tema de fuerza elástica.

Retomemos los resultados obtenidos en dicho experimento, cuando hiciste la gráfica, posiblemente obtuvo un resultado similar a este:

En el tema de fuerza elástica vimos que la curva representa la constante de cambio al colgar diferentes masas, o sea la constante elástica.

 

De modo que en el eje Y lo que tenemos es la fuerza que hace el resorte al colgarle las masas.

Si

 

Entonces el área bajo la curva ¿qué será?

 

____________________________

 

Respuesta: El trabajo.

Su profesor le indicará la razón.

Nota: la explicación está en: https://www.fisicalinda.com/lessons/didactica-para-el-tema-de-trabajo/#te2

 

Energía cinética

 

Cuando el carrito se puso en movimiento hizo un trabajo.

Recordemos que energía cinética es la energía que tiene todo cuerpo en movimiento. Como los cuerpos en movimiento tienen energía cinética y cuanto mayor velocidad tenga un cuerpo, más energía cinética tiene; por eso matemáticamente energía cinética se define como:

E c = m •v2
         2

Si piensas nuevamente en el experimento del carrito de cuerda, recordarás que, el carito pasó del reposo hasta lograr cierta velocidad, entonces en ese trayecto hizo un trabajo. Esto nos permite inferir que hay una relación entre el trabajo y el cambio de energías cinéticas (ya que hubo cambio de velocidades)

Entonces, se puede decir que el trabajo es el cambio de energía cinética:

W =   ΔEc   Recuerde que Δ significa cambio (final-inicial)

Como el cuerpo al variar su velocidad tiene dos velocidades:

V0 = Velocidad inicial y V= Velocidad final y como W = ΔEc podemos ahora decir:

W = Ec final – Ecinicial

Este resultado anterior se conoce como “TEOREMA TRABAJO-ENERGÍA”.

 

Retomemos despeje de variables:

1) De la siguiente fórmula:

Obtengamos juntos el despeje de V02

El proceso está explicado en el siguiente video:

 

Ahora intenta tu obtener el despeje de V2, luego resuelve el problema de práctica.

Despeje de V2
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ahora observe la siguiente gráfica de la energía cinética de un cuerpo en caída:

Marque con x la opción correcta:

De acuerdo con la gráfica anterior ese cuerpo estaba:

  • a) aumentando la energía cinética conforme se acerca al suelo
    b) disminuyendo la E.c. conforme se acerca al suelo.

Si hacemos una extrapolación de la curva, cuando esté a 0,5m del suelo su energía corresponderá al siguiente valor ___________________

Nota al docente: https://www.fisicalinda.com/lessons/didactica-para-el-tema-de-trabajo/#te3

Práctica:

Práctica trabajo – energía potencial.

1) Un tarro de pintura de 2kg puede ocupar a partir del suelo 3 posiciones: 0m, 20m y 40m de altura.  ¿Cuál es el trabajo de la fuerza gravitatoria si el tarro es halado desde la posición 20m hasta la posición 40m?  Respuesta: -392J.

 

 

 

 

Práctica energía potencial elástica

1) ¿Cuál es la energía potencial de un sistema compuesto por un resorte y un cuerpo colgante, si el resorte tiene k= 150 N/m y el cuerpo colgante pesa 30N estirando el resorte 0,4m.?

 

 

 

 

 

2) ¿A un resorte con k=100N/m se le cuelga un cuerpo. El sistema adquiere entonces una energía potencial de 10J, ¿Cuánto se estiró?

 

 

 

 

 

3) A un resorte se le colgó un cuerpo que lo hizo adquirir una energía potencial de 15J, si se estiró 0,5m, ¿Cuál constante elástica tiene?

 

 

 

 

 

 

 Respuestas:

1) 12 J              2) 0.45 m          3) 120 N/m

 

Práctica de energía cinética:

1) Calcule el trabajo realizado por un vehículo de 2 000 kg que lleva una velocidad de 60 km/h y frena hasta detenerse.  Ojo, debe hacer conversiones. Respuesta: – 275 560 J

OJO: Este resultado negativo indica que se iba, deteniendo y es un detalle importantísimo cuando trates de resolver los itemes sobre selección única más adelante, de modo que recuerda, cuando algo se detiene hace trabajo negativo, ya que la fuerza del freno es opuesta al movimiento.

 

Contenido de la Lección