Trabajo y energía

1. Trabajo y energía ¿Qué es la energía? Propiedades de la energía Tipos de energía. ¿Qué es el trabajo? Relación entre trabajo y energía. Potencia. Relación entre potencia y velocidad. Máquinas. Rendimiento.

2. ¿Qué es la energía? La energía es una propiedad de la materia que se manifiesta de diferentes formas y que tiene como consecuencia la producción de cambios y, por lo tanto, la propia existencia. La energía es pues la esencia de la existencia. No obstante podemos utilizar una definición más de andar por casa para entendernos y decir que la energía es la capacidad para producir un trabajo. • La unidad internacional de energía es el Julio o Joule ya que fue este investigador el que estableció la equivalencia entre energía (en su experimento energía térmica) y trabajo. Con esta experiencia Joule encontró la equivalencia entre trabajo mecánico y calor que quedó establecida en: 1 caloría = 4, 18 J

3. Propiedades de la energía Para nosotros la fuente de energía por excelencia es el Sol y es verdad que el Sol nos envía continuamente grandes cantidades de energía, pero es la naturaleza terrestre la que tiene la capacidad de aprovechar la mayor parte de esa energía (un 70%) gracias a las propiedades de la energía. Un 30% se refleja y vuelve al espacio Un 47% es absorbida por la atmósfera Un 23% mantiene el ciclo del agua Un 1% dirige vientos y corrientes marinas Un 0’2% es aprovechado por la fotosíntesis Enrique Sanchis

4. Propiedades de la energía El 0,2% de la energía Solar que llega hasta la Tierra es aprovechada por los organismos fotosintéticos, pero no toda ella da lugar a materia orgánica. Pérdidas por metabolismo y calor Pérdidas por metabolismo y calor En cada eslabón de la cadena trófica se pierde hasta un 90% en forma de calor ENERGÍA SOLAR PRODUCCIÓN PRIMARIA NETA PRODUCCIÓN SECUNDARIA NETA • En conclusión: • La energía de transfiere. • La energía se transforma. • La energía se almacena y se transporta. • La energía se degrada. • La energía se conserva. PRODUCCIÓN PRIMARIA PRODUCCIÓN SECUNDARIA

5. Tipos de energía • Energía nuclear.- Es la energía que emiten los átomos cuando se rompen (energía de fisión) o se unen (energía de fusión). • Energía radiante.- Es la que se propaga en forma de ondas electromagnéticas, como la luz. • Energía química.- Es la energía que se libera al formarse los enlaces químicos. • Energía térmica.- Es la energía transferida entre dos cuerpos que están a distinta temperatura. FOTOSÍNTESIS • Energía potencial.- Es la energía debida a la posición que ocupan los cuerpos. • Energía potencial gravitatoria.- Es debida a la altura. (Ep= m · g · h) • Energía potencial elástica.- Aplicable a los cuerpos elásticos. (Ee = ½ k · x2) • Energía cinética.- Es la energía que tiene un cuerpo por estar en movimiento. • (Ec = ½ m · v2)

6. Tipos de energía • Vamos a plantear la siguiente experiencia: • Disponemos de dos esferas de igual dimensión, una de acero y otra de madera, una tableta de arcilla y un cuentagotas que contiene agua. • Dejamos caer las dos esferas desde la misma altura con lo que al caer sobre la tableta de arcilla producen en ella una huella como consecuencia del impacto. • Debemos observar: • Cual de las dos esferas cae más rápida. • Cuantas gotas caben en cada una de las huellas. • Sabemos que: • Las esferas caen a la misma velocidad. • La esfera de acero hace una huella más profunda que la esfera de madera. • ¿A qué se debe esa diferencia? • Puesto que la única diferencia entre ambas es el peso se deberá al peso de las esferas.

7. Tipos de energía • Vamos a plantear ahora otra experiencia: • Dejamos caer la esfera de madera desde alturas diferentes y observamos las huellas del impacto • Debemos observar: • Cuantas gotas caben en cada una de las huellas. • Observamos que: • La huella es más profunda cuanto mayor es la altura desde la que cae la esfera. • En consecuencia, de las dos experiencias anteriores se deduce que: • La capacidad de una esfera para deformar la arcilla depende de su peso y de la altura desde la que caiga. • A esa capacidad de un cuerpo para hacer un trabajo cuando se encuentra sometido a la fuerza de la gravedad la llamaremos energía potencial gravitatoria y su fórmula será: • Ep = m · g · h

8. Tipos de energía • Como hemos dicho la energía no se crea ni se destruye; por lo tanto a medida que un cuerpo cae pierde energía potencial pero, en la misma proporción, debe ganar energía cinética. Así pues ambas energías deben estar relacionadas. Veamos si es así: • Como sabemos la fórmula de la energía potencial es: Ep = m · g · h • También sabemos que el movimiento de caída libre es un movimiento uniformemente acelerado en el que el espacio recorrido (h) y la velocidad tienen las siguientes ecuaciones: • h = ½ g · t2 y v = g · t • Según esto la fórmula de la energía sufrirá la siguiente transformación: • E = m · g · ½ g · t2 = ½ m · (g · t)2 = ½ m · v2 • En consecuencia la energía potencial (debida a la altura) se habrá transformado en energía cinética (debida a la velocidad) • Ec = ½ m · v2

9. ¿Qué es el trabajo? • Para transferir energía de un cuerpo a otro se puede transferir calor , si un cuerpo está más caliente que otro, o producir un trabajo, si la transferencia de energía implica un desplazamiento. • Observa los siguientes supuestos: • El operario está utilizando una rampa en el primer caso pero… ¿Si no tuviera una rampa haría más o menos trabajo para subir la carga al camión? • Teniendo en cuenta que el trabajo es una forma de transferir energía el trabajo realizado en ambos casos es el mismo ya que la energía adquirida por la carga es la misma. • W = Ep = m · g · h • La rampa supone una ventaja mecánica porque rebaja el esfuerzo en la misma medida en que alarga el camino (principio de la palanca, enunciado y aplicado por Arquímedes de forma muy variada en el siglo III antes de Cristo)

10. ¿Qué es el trabajo? • Si consideramos el trabajo como la acción producida por una fuerza mientras se produce un desplazamiento hay que tener en cuenta que en dicho trabajo influirá el ángulo que forman la dirección de la fuerza y la dirección del desplazamiento. • Observemos en el siguiente caso el trabajo realizado por la fuerza F y por la fuerza de rozamiento (FR) F FR • Mientras la fuerza F actúa en la misma dirección y sentido que el desplazamiento la fuerza de rozamiento actúa en sentido opuesto al desplazamiento, por tanto la fuerza F produce un trabajo positivo mientras que la fuerza FR producirá un trabajo negativo. • W = F · x · cos  • La fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento es la componente x de F • No hay desplazamiento puesto que FX =O F FX  • W = F · x · cos  = Fx · x • W = F · x · cos  = 0

11. ¿Qué es el trabajo? • Calculemos ahora el trabajo que realiza el motor de un coche cuando pasa desde v0 a vf en un tiempo t. • Como ya sabemos W = F · x · cos  (en este caso = 0 y cos  = 1) Para calcular el desplazamiento utilizaremos la fórmula del MRUA : x = v0· t + ½ a · t2 ; a = (vf – v0)/t Por otra parte F = m · a, por lo tanto sustituyendo en la ecuación del trabajo: W = m · a · (v0· t + ½ a · t2 ). Sacando factor común t: W = m · a · t (v0 + ½ a · t ) Sustituyendo ahora el valor de a se nos van las t: W = m · (vf – v0)/t · t ( v0 + ½ (vf – v0)/ t · t); W =(m · vf – m · v0) (v0 + ½ vf – ½ v0) Quitando paréntesis: W = m ·vf · v0 + ½ m · vf2 – ½ m · vf · v0 – m · v02 – ½ m · v0 · vf + ½ m · v02 Agrupando los sumandos tercero y quinto W = m ·vf · v0 + ½ m · vf2 – m · vf · v0 – m · v02 + ½ m · v02 Y agrupando los dos últimos sumandos W = m ·vf · v0 + ½ m · vf2 – m · vf · v0 – ½ m · v02 Concluyendo: W = ½ m · vf2 – ½ m · v02 En consecuencia el trabajo del motor es igual a la energía cinética que ha adquirido el coche. • W = Ec = Ec final – Ec inicial