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Trabajo mecánico y energía

Te invitamos a aprender acerca del trabajo mecánico, el siguiente recurso entrega los contenidos que debes aprender acerca del tema e ilustraciones.

Trabajo mecánico y energía

Otra cantidad que se conserva en el tiempo, tal vez la más importante de la física, es la energía mecánica. De ella algo aprendiste en 2° Año Medio.

Un sistema físico posee energía (por ejemplo un automóvil o una persona), debido a que posee la capacidad para realizar transformaciones, y de manera particular tiene la capacidad de realizar trabajo mecánico. Es decir, cuando un cuerpo tiene energía mecánica, tiene la capacidad para aplicar sobre un objeto una fuerza capaz de desplazarlo, desarrollando así trabajo mecánico. 

Más exactamente, como lo ilustra la figura 15, el trabajo T que realiza una fuerza vector fuerza corresponde al producto entre el componente de la fuerza que posee la dirección del desplazamiento Fuerza paralela y el desplazamiento vector desplazamiento ; o sea Trabajo es igual a fuerza paralela por vector desplazamiento . Si sabes algo de trigonometría comprenderás que el trabajo también puede ser expresado como Trabajo es igual a fuerza paralela por vector desplazamiento y por coseno de alfa , en que a es el ángulo que forman vector fuerzay vector desplazamiento

Figura quince: Trabajo que realiza un cajón al desplazarse

Es importante observar que T es:

- una magnitud escalar (o no vectorial) cuya unidad en el Sistema Internacional de unidades (SI) es el joule (newton x metro).

- cero cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento, pues cos(90º) = 0.

Fuerza por desplazamiento cuando la fuerza posee la misma dirección y sentido del desplazamiento.

Menos Fuerza por desplazamiento cuando la fuerza posee la misma dirección, pero sentido opuesto al del desplazamiento, como suele ocurrir con la fuerza de roce.

Veamos un ejemplo que ilustra estos aspectos. Supón que la persona de la figura 16 arrastra por el piso horizontal un refrigerador aplicándole una fuerza de 30 newton y que lo traslada una distancia de 5 metros con rapidez constante.

¿Qué trabajo realiza la fuerza que aplica la persona? 

Figura dieciseis: persona moviendo un refrigerador

Puesto que en este caso Fuerza paralela es igual a Fuerza = 30 newton ( Fuerza perpendicular es igual a cero, o bien cos(0º) = 1), módulo vector desplazamiento = 5 metros y los vectores vector fuerzavector desplazamiento poseen la misma dirección y sentido, T = 150 joules.

¿Qué trabajo realiza en este caso la fuerza de gravedad que actúa sobre el refrigerador?

Puesto que el peso del refrigerador es perpendicular al desplazamiento, esta fuerza no realiza trabajo; T = 0.

¿Qué trabajo realiza la fuerza de roce que actúa sobre el refrigerador?

Como el movimiento del refrigerador es rectilíneo y uniforme, la fuerza neta o total sobre él es cero y, por lo tanto, la fuerza de roce debe ser de 30 newton. Además tiene sentido opuesto al del desplazamiento, razón por la cual el trabajo que ella realiza es T = – 150 joules.

En muchas ocasiones nosotros levantamos o bajamos objetos desplazándolos a favor o en contra de la fuerza de gravedad. En algunos de estos casos hay trabajo y en otros no. Analicemos las situaciones que se ilustran en la figura 17. 

Figura diecisiete: personas moviendo un objeto

En los tres casos la persona mueve un objeto de masa m desde el punto A al B con movimiento uniforme, pero en (a) lo está subiendo, en (b) lo está bajando y en (c) lo está trasladando horizontalmente. Como el movimiento es uniforme, en los tres casos la fuerza neta sobre el cuerpo es cero, ya que las dos únicas fuerzas que actúan, la que aplica la persona ( vector fuerza ) y la gravedad ( Fuerza de gravedad es igual a la masa por aceleración de gravedad ), se anulan entre sí.

En consecuencia, en los tres casos el trabajo neto (el realizado por la fuerza neta) es cero.

En el caso (a) el trabajo que realiza la fuerza que aplica la persona es T = mgh, mientras que el trabajo que realiza la fuerza de gravedad es T= – mgh.

En el caso (b) el trabajo que realiza la persona es T= – mgh y el que realiza la fuerza de gravedad es T = mgh.

Por último, en el caso (c), tanto el trabajo realizado por la fuerza que aplica la persona como el que realiza la fuerza de gravedad son cero, pues son perpendiculares a la dirección del desplazamiento.

En base a lo anterior es fácil demostrar que el trabajo que realizamos a favor o en contra de la fuerza de gravedad es independiente de la trayectoria por donde traslademos un objeto. Esta idea se ilustra en la figura 18. 

Figura dieciocho: trayectorias distintas para un mismo trabajo

Por último, es importante tener presente que en el movimiento circunferencial uniforme la fuerza centrípeta no realiza trabajo, pues es en todo instante perpendicular al desplazamiento.

TRABAJO MECÁNICO Y ENERGÍA

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Trabajo mecánico y energía

Aún cuando en este nivel el estudiante ya posee un manejo operacional de la matemática mucho más profundo que en segundo medio, además de conocer nociones básicas de representación vectorial; sigue siendo muy apropiado el trabajo desde el punto de vista fenomenológico, fortaleciendo la mirada conceptual por sobre un exhaustivo y abstracto análisis matemático.

Se sugiere iniciar este tema revisando brevemente lo visto en segundo año medio respecto del trabajo mecánico, resaltando que la fuerza realiza trabajo sobre un cuerpo cuando lo desplaza en la dirección en que actúa. También conviene insistir sobre algunas ideas erróneas en torno al trabajo, como por ejemplo:

Ideas ERRÓNEAS en torno a la concepción de trabajo mecánico.

Hacemos trabajo cuando nos cansamos o fatigamos,

Hacemos trabajo cuando sostenemos algo o "aguantamos" un peso.

Hacemos trabajo cuando "gastamos" energía.

Hacemos trabajo cuando ejercemos una fuerza.

 

Luego de esto, hay que discutir la definición de trabajo, especialmente cuando dice que "la fuerza realiza trabajo sobe el cuerpo cuando lo desplaza en la misma dirección en que actúa".

Para la adecuada apropiación de esta definición, es conveniente emplear la representación vectorial de la fuerza, en los casos en que se aplica una fuerza oblicua sobre el cuerpo, desplazándolo sobre alguna de sus componentes, como por ejemplo:

 

imagen

 

En este caso hay que enfatizar que no toda la fuerza produce desplazamiento, sino que sólo una parte de ella produce desplazamiento, es decir solamente la componente horizontal de la fuerza, la que es paralela al desplazamiento (F//). De esta forma podemos escribir que el trabajo operacionalmente es:

T = F(paralela al desplazamiento)∙d

T = F//∙d

T = F(cos)∙d

T = F∙d(cos)

Aunque esta es una buena oportunidad para desarrollar la idea del producto punto entre dos vectores, recuerde que el énfasis está dado por aprendizaje conceptual de la física, por sobre el análisis vectorial.

Se sugiere volver a revisar algunos casos o situaciones especiales como:

Cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento.

Cuando la fuerza es opuesta al desplazamiento.

Cuando no hay desplazamiento.

 

Se sugiere destacar que el trabajo mecánico es una forma de transferir energía a un cuerpo, lo que puede ejemplificarse cuando un cuerpo adquiere energía potencial gravitatoria debido al trabajo hecho en contra del peso para levantar al cuerpo.

Aun cuando mediante la representación vectorial puede demostrarse que el trabajo hecho en contra del peso para levantar un cuerpo es independiente de la trayectoria; al igual que realiza el trabajo en esto casos, se sugiere más bien destacar este hecho desde el punto de vista fenomenológico, ilustrando cómo al levantar un cuerpo mediante un plano inclinado podemos disminuir la fuerza aplicada, pero al mismo tiempo que aumentamos el desplazamiento requerido (regla de oro de la mecánica).

Información

Técnica

Descripción BreveTe invitamos a aprender acerca del trabajo mecánico, el siguiente recurso entrega los contenidos que debes aprender acerca del tema e ilustraciones.
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IdiomaEspañol (ES)
Autoreducarchile
Fuenteeducarchile
Clasificación Curricular
NivelSectorUnidad o eje
3° medioFísicaFuerza y movimiento

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