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Este documento proporciona una introducción clara y concisa a los conceptos de trabajo, energía cinética y energía potencial en física. Explica cómo las fuerzas actúan sobre los objetos y cómo estas interacciones se traducen en cambios de movimiento y energía. Se incluyen ejemplos prácticos y se analizan los diferentes tipos de energía cinética y potencial, así como el principio de conservación de la energía mecánica.
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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Trabajo se define en física como la fuerza que se aplica sobre un cuerpo para desplazarlo de un punto a otro. Al aplicar fuerza se libera y se transfiere energía potencial a ese cuerpo y se vence una resistencia. Por ejemplo, levantar una pelota del suelo implica realizar un trabajo ya que se aplica fuerza a un objeto, se desplaza de un punto a otro y el objeto sufre una modificación a través del movimiento. Por tanto, en física solo se puede hablar de trabajo cuando existe una fuerza que al ser aplicada a un cuerpo permite que éste se desplace hacia la dirección de la fuerza. El trabajo se produce, por ejemplo, cuando un hombre empuja un vehículo sin combustible por la calle o cuando una máquina hidráulica levanta una pesada caja de madera. Para calcularlo, pues, se deben considerar la fuerza aplicada (con su respectiva dirección) y la distancia recorrida por el cuerpo en movimiento. De allí que pueda hablarse de dos tipos de trabajo: el positivo y el negativo. Trabajo positivo. Ocurre cuando la fuerza aplicada va en el mismo sentido del desplazamiento del cuerpo, produciendo una aceleración positiva. Trabajo negativo. Ocurre cuando la fuerza aplicada va en sentido contrario al desplazamiento del cuerpo, pudiendo producir una aceleración negativa o desaceleración. Formula : Donde W: Trabajo F: Fuerza d: Distancia
La energía cinética es una forma de energía que un objeto posee debido a su movimiento. No importa si es una pelota rodando, un coche en marcha, el agua de la lluvia o las moléculas del aire balanceando las hojas de un árbol. Cualquier objeto que se esté moviendo tiene energía cinética. Este tipo de energía depende tanto de la masa del objeto como de su velocidad en movimiento. Dicho de otro modo, cuanto mayor sea la masa y la velocidad del objeto en cuestión, mayor será su energía cinética. La idea fundamental detrás de esta fuerza cinética es que un objeto en movimiento tiene la capacidad de hacer trabajo, como mover otro objeto o generar calor a través de la fricción. En todo caso, el concepto de energía cinética no es nuevo. Desde la antigüedad, la humanidad ha utilizado el movimiento para realizar tareas y hay multitud de ejemplos fácilmente reconocibles. ¿Te suenan los antiguos arados para el campo? Cuando el arado se desplaza a través del suelo, ya sea tirado por un tractor o por animales, está en movimiento y por lo tanto tiene energía cinética. Este movimiento le permite cortar y remover la tierra, preparando el campo para la siembra empleando así la fuerza cinética para realizar el trabajo de labranza. Los molinos de viento, por su parte, también son un ejemplo fácil de reconocer y es que transforman la energía cinética del viento en energía mecánica para moler grano. La energía cinética es una forma de energía que se produce cuando un objeto, sustancia o partícula está en movimiento. Esta energía depende principalmente de la velocidad del objeto, además de su masa. Por ejemplo, cuando corremos, nuestro cuerpo está en movimiento, por lo que produce energía cinética. La energía cinética suele abreviarse con las letras "Ec" o "Ek", y se puede expresar con la siguiente fórmula: Abajo explicamos cada término y las unidades utilizadas según el Sistema Internacional: Ec : es la energía cinética medida en Joules o Julios, J. m : es la masa del cuerpo en movimiento, medida en kilogramos, kg. v : es la velocidad del cuerpo, medida en metros por segundo, m/s. Como este término se eleva al cuadrado ( v^2 ), las unidades finales son m^2 /s^2. La ecuación se divide por 2 , puesto que la fórmula de la energía cinética es el resultado de derivar e integrar la fórmula de la Segunda Ley de Newton
Ejemplos de energía cinética La energía cinética nos acompaña en el día a día, sin darnos cuenta y son muchos los ejemplos que podemos encontrar, tanto en la cotidianidad, como en dimensiones más específicas. Algunos de los más reconocibles son: Movilidad eléctrica: los vehículos eléctricos (VE) aprovechan la fuerza cinética de maneras innovadoras. Durante el frenado, muchos de estos automóviles utilizan sistemas de frenado regenerativo que convierten la energía cinética en energía eléctrica, la cual se almacena en la batería del vehículo. Esto no solo mejora la eficiencia energética, sino que también permite ampliar la autonomía del vehículo. En la industria: en el sector industrial, la energía cinética se utiliza en diversas máquinas, procesos y herramientas. Por ejemplo, los martillos hidráulicos y las prensas industriales convierten la energía cinética en fuerza para moldear y dar forma a materiales. Este uso de la fuerza cinética es fundamental para la manufactura y la producción a gran escala. Deporte: en contra de lo que pueda parecer, en materia deportiva la energía cinética juega un papel clave. Ya sea al lanzar una pelota, golpear un balón de fútbol o patinar, los atletas generan y utilizan la fuerza cinética. Este principio no solo es importante para entender el rendimiento deportivo, sino que también es esencial para diseñar equipamientos y entrenamientos que optimicen el uso de esta energía. Energías renovables: la energía cinética lleva vinculada al desarrollo de las renovables desde sus inicios. Si hablamos de la energía eólica, por ejemplo, los aerogeneradores convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica; mientras que en las centrales hidroeléctricas el agua en movimiento (ya sea en ríos o embalses) se utiliza para mover turbinas que generan electricidad. Lo mismo ocurre con la energía solar fotovoltaica. Los fotones, partículas de luz, tienen energía cinética que se puede aprovechar en tecnologías como los paneles solares. Tipos de energía cinética Hay tres tipos de energía cinética: la de traslación, rotación y vibración. La energía cinética de traslación se presenta cuando un objeto se desplaza de un punto a otro. Al moverse en una dirección, la aceleración aplicada sobre la masa
del objeto se traduce en energía cinética. Algunos ejemplos son la acción de caminar, conducir un vehículo por la autopista o la caída de objetos. La energía cinética de rotación se presenta cuando un objeto gira sobre sí mismo. Aunque no hay desplazamiento, parte del objeto acelera alrededor de un eje, lo que genera energía cinética. Ejemplos de esto son el movimiento de los discos en lectores, el yo-yo y el movimiento de las aspas de un molino debido al viento. La energía cinética de vibración se presenta cuando las partículas oscilan alrededor de un punto de equilibrio. Algunos ejemplos son la vibración del móvil, el movimiento de las cuerdas de una guitarra o la vibración molecular. Además, la energía cinética se puede representar en otros tipos según el efecto o tipo de energía que generan. Estos son: Energía mecánica : el movimiento de los objetos y su interacción física con otros produce un movimiento mecánico, fruto de la energía cinética y potencial. Un ejemplo de esto es cuando golpeamos una pelota. La energía cinética de nuestro pie se traslada a la pelota, produciéndose energía mecánica en forma de desplazamiento. Energía térmica : la vibración y movimiento de las partículas de una sustancia desprende calor, es decir, energía térmica. Dependiendo del estado de agregación de la materia (sólido, líquido o gas), la energía térmica será mayor o menor. Energía eléctrica : los electrones, al moverse por un circuito eléctrico, generan electricidad a partir de su energía cinética y potencial. Energía sonora : es un tipo de energía mecánica que resulta de la oscilación o vibración de partículas en forma de ondas. Esta oscilación genera ondas sonoras que el oído puede captar.
En el que: Ug : es la energía potencial gravitatoria, medida en Joules o Julios, J. m : es la masa del cuerpo, medida en kilogramos, kg. g : es la aceleración del cuerpo debido a la gravedad, medida en metros por segundo al cuadrado, m/s^2. h : es la altura a la que se sitúa el cuerpo, medida en metros, m.
La energía potencial elástica es la energía almacenada en un cuerpo elástico que se encuentra sometido a una deformación provocada por una fuerza externa. En este sentido, el objeto contiene energía potencial por un cambio en su configuración. Tomemos el muelle como ejemplo. Primero, lo estiramos hasta que su resistencia sea mayor a nuestra fuerza. Si mantenemos esa posición estirada, el muelle posee una energía potencial. Esta energía, al soltar el muelle, se transforma en energía cinética, utilizada para regresar a su configuración de reposo. La energía potencial elástica se calcula según la siguiente fórmula: En el que: Ux : es la energía potencial elástica, expresada en Joules o Julios, J. k : es la constante de proporcionalidad que depende de la forma y composición del objeto, expresada en Newtons por metro cuadrado, N/m^2. x : es la cantidad de deformación producida por una fuerza externa, expresada en metros, m. El símbolo x es intercambiable con ΔL. El término x , al elevarse al cuadrado, indica que la energía potencial elástica viene determinada principalmente por la cantidad de deformación. Por ejemplo, si duplicamos la cantidad de deformación, la energía potencial se cuadruplica.
La energía potencial electrostática en un campo eléctrico es la energía necesaria para desplazar cargas eléctricas en él. Por ejemplo, cuando dos cargas están cerca entre sí, se repelerán o atraerán según el tipo de carga que sean. Antes de que se produzca la repulsión o atracción, ambas cargas contienen energía potencial que se transformará en energía cinética y en otras como la eléctrica o térmica. La fórmula para calcular la energía potencial electrostática entre dos cargas es:
En el que: Ue : es la energía potencial electrostática, medida en Joules o Julios, J. ke : es la constante eléctrica de proporcionalidad o de Coulomb. El valor aproximado de esta constante es de 8,987 x 10^9 (N x m^2 ) / C^2. q 1 y q 2 : es el valor de las cargas eléctricas, expresadas en coulombs, C. r : es la distancia que hay entre las dos cargas eléctricas, expresada en metros, m. Cabe mencionar que, cuando las cargas son distintas, la energía potencial electrostática será negativa (atracción). En cambio, si ambas cargas son iguales, la energía potencial electrostática será positiva (repulsión). Si uno busca calcular la energía potencial de una sola carga respecto a un punto en un campo eléctrico, la fórmula se puede simplificar de la siguiente manera:
La energía potencial química es la energía almacenada en los enlaces entre las partículas de un compuesto o sustancia. Una forma de ilustrar este tipo de energía es con las reacciones químicas. Por ejemplo, algunas sustancias, en presencia de oxígeno, rompen los enlaces de sus moléculas para combinarse con el gas. Este proceso transforma la energía potencial de la sustancia en energía térmica. Otro ejemplo es con la alimentación. Los alimentos contienen sustancias cuyos enlaces poseen energía potencial almacenada. Estos alimentos, al ser ingeridos y digeridos, ven su energía potencial transformada en energía útil para realizar las funciones vitales del ser vivo. Vea también Energía química.
La energía potencial nuclear es la energía almacenada en el núcleo atómico , fruto de la fuerza nuclear fuerte y débil. Los enlaces fuertes y débiles entre las partículas del núcleo contienen una energía potencial que se puede transformar en calor y radiación mediante procesos de fisión y fusión. Un ejemplo es la producción de electricidad a partir de la energía nuclear. Mediante un proceso de fisión, los átomos se dividen en otros más pequeños. Este proceso
donde W es el trabajo realizado, F la fuerza que actúa sobre el cuerpo y D es la distancia del desplazamiento sufrido por el cuerpo. Sin embargo, fuerza y distancia suelen considerarse magnitudes vectoriales, que requieren de una orientación determinada en el espacio. Así, la fórmula anterior puede reformularse para incluir dicha orientación, de la siguiente manera: W = F x d x cos 𝛂 donde el coseno de alfa (cos𝛂) determina el ángulo que forman la dirección en que la fuerza se aplica y la dirección en que el objeto se mueve como resultado. El trabajo mecánico puede ser de tres tipos, dependiendo de si se añade, resta o mantiene el nivel de energía en el cuerpo en movimiento. Así, podemos hablar de: Trabajo positivo (W > 0). Ocurre cuando la fuerza aporta energía al objeto en cuestión, produciendo un desplazamiento en el mismo sentido en que se aplicó la fuerza. Un ejemplo de esto sería un jugador de golf que golpea una pelota con el palo y la hace sobrevolar varios metros, o el de un jugador de béisbol que batea una pelota en movimiento, modificando la trayectoria que traía. Trabajo nulo (W = 0). Ocurre cuando la fuerza aplicada no produce desplazamiento alguno en el objeto, a pesar de que está consumiendo energía en el proceso. Un ejemplo de esto sería una persona que empuja un mueble muy pesado sin lograr que se desplace ni un milímetro. Trabajo negativo (W < 0). Ocurre cuando la fuerza aplicada resta energía al objeto en cuestión, resistiéndose al movimiento que el objeto ya traía o reduciendo su desplazamiento. Un ejemplo de esto sería un jugador de béisbol que ataja la pelota arrojada por otro, impidiéndole seguir con su trayectoria; o una persona que se interpone ante un objeto que cae por una colina y aunque no logra detenerlo del todo, logra disminuir la velocidad de su caída.
El concepto de potencia existe en diferentes campos del saber humano, como la filosofía, la física, las matemáticas o incluso en diferentes áreas de la vida cotidiana. En todos los casos, sin embargo, tiene un sentido similar, vinculado con la capacidad de ejecutar una acción, de producir un efecto o de desatar una fuerza. Así, tener potencia implica tener también dichas capacidades, o sea, tener poder. La palabra potencia proviene del latín, específicamente de la voz potentia (“tener poder”), derivada del verbo posse (“poder”). Esa fue la traducción que dieron los romanos al término griego dunamis (δύναμις), empleado por filósofos como Aristóteles para designar la capacidad o la posibilidad, dependiendo del contexto. En la obra aristotélica, de hecho, se diferencian dos sentidos de potencia: uno débil, que alude a que simplemente algo podría suceder; y otro fuerte que implica que están dadas las cosas para hacer algo bien o hacer algo completamente. Posteriormente, Aristóteles diferenció la potencialidad (posibilidad) de las cosas y los seres, su capacidad de hacer algo, de la realización de dicha posibilidad, es decir, su actualidad (actuación). Estas consideraciones fueron clave para la historia del pensamiento occidental y en especial para la fundación de disciplinas como la física, encargadas de estudiar el movimiento, la energía y el trabajo. Se define la potencia como la rapidez con la que se realiza un trabajo. Su expresión viene dada por: Donde: P : Potencia desarrollada por la fuerza que realiza el trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Vatio (W) W : Trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el Julio (J) t : Tiempo durante el cual se desarrolla el trabajo. Su unidad de medida en el Sistema Internacional es el segundo (s). Tipos de potencia Existen los siguientes tipos de potencia: Potencia mecánica. Aquella que se deriva de la aplicación de una fuerza sobre un sólido rígido, o bien un sólido deformable.
la fuente misma que emite el sonido. Cuando escuchamos un sonido, el “volumen” del mismo equivale a nuestra percepción de la potencia acústica, expresada en decibelios (dB).
No todas las fuerzas se comportan igual desde el punto de vista energético. El trabajo que realizan sobre los cuerpos puede o no variar dependiendo del camino que siga el cuerpo en su desplazamiento. Este criterio será el que nos sirva para clasificar las fuerzas en conservativas y no conservativas o disipativas. Definición de Fuerza Conservativa Decimos que una fuerza es conservativa cuando el trabajo que realiza sobre un cuerpo depende sólo de los puntos inicial y final y no del camino seguido para llegar de uno a otro. La definición anterior tiene varias implicaciones:
Ejemplos comunes: Fuerza gravitacional: Está asociada a la energía potencial gravitacional. Fuerza elástica: Vinculada con la energía potencial elástica en un recurso. Fuerza electrostática: Relacionada con la energía potencial eléctrica entre cargas.
La conservación de energía incluye todos los esfuerzos que se hacen para reducir el consumo de energía. La energía se puede conservar utilizando la energía de manera más eficiente y reduciendo el uso innecesario. La seguridad y la reducción del uso de fuentes de energía basadas en carbono son los principales objetivos relacionados a la conservación de la energía. La conservación de la energía y la reducción del uso de energía basada en carbono pueden resultar en una mejor calidad ambiental y una menor cantidad de energía. La energía se puede conservar reduciendo el/la desperdicio/basura y mejorando la eficiencia mediante actualizaciones tecnológicas y haciendo mejor trabajo y mantenimiento de los procesos existentes. La ley de la conservación de la energía establece que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo convertirse de una forma de energía a otra. Esto significa que un sistema siempre tiene la misma cantidad de energía, a menos que se añada desde el exterior. Esto es especialmente confuso en el caso de las fuerzas no conservativas, en las que la energía se convierte de energía mecánica en energía térmica, pero la energía global sigue siendo la misma. La única manera de utilizar la energía es transformar la energía de una forma a otra. La cantidad de energía en cualquier sistema, entonces, está determinada por la siguiente ecuación: UT=Ui+W+Q UT es la energía interna total de un sistema. Ui es la energía interna inicial de un sistema. W es el trabajo realizado por o sobre el sistema. Q es el calor añadido o eliminado del sistema. También es posible determinar el cambio en la energía interna del sistema utilizando la ecuación: ΔU=W+Q Esto es también una afirmación de la primera ley de la termodinámica. Aunque estas ecuaciones son extremadamente poderosas, pueden hacer difícil ver el poder de la afirmación. El mensaje que hay que extraer es que la energía
Rampa inclinada Carrito de baja fricción Dinamómetro Cinta métrica Cronómetro Calculadora Software para análisis de datos PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: 1.Colocar el carrito sobre la superficie colocada horizontalmente y observar que no hay cambio de distancia con respecto al tiempo puesto que el carrito conserva su posición original.
PRACTICA No. 4: “Estudio de la energía y trabajo en un sistema mecánico”. o Rampa inclinada. o Carrito de baja fricción. o Dinamómetro. o Cinta métrica. o Cronometro. o Calculadora. o Software para análisis de datos. ¿Se obtiene en existencia todo el material? Preparar los materiales Armar el equipo experimental
Desarrollo experimental
