FISICA Guía #1 trabajo, energía y potencia

REFLEXIÓN

"Tanto si piensas que puedes, como si piensas que no puedes, estás en lo cierto." Henry Ford (1863-1947) 

TRABAJO ENERGIA Y POTENCIA
TRABAJO
"Producto de la fuerza por el camino que recorre su punto de aplicación y por el coseno del ángulo que forma la una con el otro".
ENERGÍA
"Capacidad para realizar un trabajo".

POTENCIA

"Cantidad de energía producida o consumida por unidad de tiempo".

vídeos interactivos

Desarrollo.

Trabajo de una fuerza

Una fuerza constante genera trabajo cuando, aplicada a un cuerpo, lo desplaza a lo largo de una determinada distancia.
Mientras se realiza trabajo sobre el cuerpo, se produce una transferencia de energía al mismo, por lo que puede decirse que el trabajo es energía en movimiento. Por otra parte, si una fuerza constante no produce movimiento, no se realiza trabajo. Por ejemplo, el sostener un libro con el brazo extendido no implica trabajo alguno sobre el libro, independientemente del esfuerzo necesario. El trabajo se expresa en Joules (J).

Cuando la fuerza tiene la dirección de movimiento.

L = F.d

L: Trabajo realizado por la fuerza.

Cuando la fuerza aplicada tiene una inclinación α con respecto al movimiento.

L = F.cos α .d

Todas las fuerzas perpendiculares al movimiento no realizan trabajo.

La fuerza puede no ser mecánica,como ocurre en el levantamiento de un cuerpo o en la aceleración de un avión de reacción; también puede ser una fuerza electrostática, electrodinámica o de tensión superficial.

Energía

La magnitud denominada energía enlaza todas las ramas de la física. En el ámbito de la física, debe suministrarse energía para realizar trabajo. La energía se expresa en joules (J). Existen muchas formas de energía: energía potencial eléctrica y magnética, energía cinética, energía acumulada en resortes estirados, gases comprimidos o enlaces moleculares,energía térmica e incluso la propia masa.

Energía cinética

Cuando una fuerza aumenta la velocidad de un cuerpo también se realiza trabajo, como ocurre por ejemplo en la aceleración de un avión por el empuje de sus reactores. Cuando un cuerpo se desplaza con movimiento variado desarrolla energía cinética.

E_c = ½.m.v ²

E_c: Energía cinética.

El trabajo realizado por la fuerza resultante que actúa sobre una partícula es igual a la variación de la energía cinética de dicha partícula.

Energía potencial

Cuando se levanta un objeto desde el suelo hasta la superficie de una mesa, por ejemplo, se realiza trabajo al tener que vencer la fuerza de la gravedad,dirigida hacia abajo; la energía comunicada al cuerpo por este trabajo aumenta su energía potencial. Si se realiza trabajo para elevar un objeto a una altura superior, se almacena energía en forma de energía potencial gravitatoria.

Cuando un cuerpo varía su altura desarrolla energía potencial.

E_p = m.g.h

POTENCIA

La potencia desarrollada por una fuerza aplicada a un cuerpo es el trabajo realizado por ésta durante el tiempo de aplicación. La potencia se expresa en watt (W).

P = L / t

P = F.d / t

v = d / t

P = F.v

También:

P = (Δ E_c + Δ E_p + H_O)/t

Si no hay fuerza de rozamiento

P = (Δ E_c +Δ E_p)/t

Si no cambio su altura

P = (Δ E_c)/t

P: potencia

Caballo de vapor: Unidad tradicional para expresar la potencia mecánica, es decir, el trabajo mecánico que puede realizar un motor por unidad de tiempo; suele abreviarse por CV. En el Sistema Internacional de unidades, la unidad de potencia es el vatio; 1 caballo de vapor equivale a 736 vatios. Su valor original era, por definición, 75 kilográmetros por segundo.

Autor: Ricardo Santiago Netto.

Unidades de trabajo energía y potencia potencia

·         Sistema Internacional (SI):

·         Vatio, (W):

·         Sistema inglés:

·         caballo de fuerza o caballo de potencia, horse power en inglés, (HP)

·         1 HP = 550 ft·lbf/s

·         1 HP = 745,699 871 582 270 22 W

·         Sistema técnico de unidades:

·         kilográmetro por segundo, (kgm/s)

·         1 kgm/s = 9,80665 W

·         Sistema cegesimal

·         ergio por segundo, (erg/s)

·         1 erg/s = 1x10^-7 W

·         Otras unidades:

·         caballo de vapor, (CV)

·         1 CV = 75 kgf·m/s = 735,49875 W

Unidades de trabajo

Sistema internacional de unidades

Artículo principal: Sistema Internacional de Unidades.

·         Julio o joule, unidad de trabajo en el SI

·         Kilojulio: 1 kJ = 10³ J

Sistema tecnico de unidades

Artículo principal: Sistema Técnico de Unidades.

·         kilográmetro o kilopondímetro (kgm) = 1 kilogramo-fuerza x 1 metro = 9,80665 J

sistema cegesimal de unidades

Artículo principal: Sistema Cegesimal de Unidades.

·         Ergio: 1 erg = 10^-7 J

Sistema anglosajon de unidades

Artículo principal: Sistema anglosajón de unidades.

·         Termia inglesa (th), 10⁵ BTU

·         BTU, unidad básica de trabajo de este sistema

 

Sistema tecnico de unidades

·         Pie-libra fuerza (foot-pound) (ft-lb)

Otras unidades

·        Kilovatio-hora

·         Caloría termoquímica (cal_TQ)

·         Termia EEC.

·         Atmósfera-litro (atm·L)

Apunte de unidades, pesas y medidas: Longitud. Tiempo. Velocidad. Aceleración. Fuerza - Peso. Trabajo - Energía. Potencia. Presión. Densidad. Peso específico. Momento.

		M.K.S.⇒ Técnico	Técnico ⇒ M.K.S.	M.K.S. ⇒ Otros
Masa	m	kg = 0,06852 slug	slug = 14,59 kg	kg =2,205 lb
Longitud	e	m = 3,28pie	pie = 0,3048 m	m = 39,3 plg
Tiempo	t	s = s	s = s	s = s
Velocidad	v = e/t	m/s = 3,28pie/s	pie/s = 0,3048 m/s	m/s = 2,237 mi/h
Aceleración	a = F/m = v/t	m/s ² = 3,28pie/s ²	pie/s ² = 0,3048 m/s ²	m/s ² = 8503,2 mi/h ²
Fuerza Peso	F = m.a	N = 0,102 kg	kg = 9,807 N	N = 0,2248 lbf
Trabajo Energía	L = F.e	J = 0,000948BTU	BTU = 1055 J	J = 0,2389 cal
Potencia	P = L/t	W = 3,413 BTU/h	BTU/h = 0,293 W	W =0,00134 hp
Presión	p = F/A	Pa = 0,000145 lbf/plg ²	lbf/plg ² = 6895 Pa	Pa =0,0000102 kg/cm ²
Densidad	δ = m/V	kg/m ³ = 0,00194 slug/pie³	slug/pie³ = 515,4 kg/m ³	kg/m ³ = 0,0003613 lb/plg³
Peso específico	ρ = P/V = δ.m/V	N/m ³ = 0,002888 kg/pie³	kg/pie³ = 346,27 N/m ³	N/m ³ =0,00000167 kg/plg³
Momento	M = F.d	N.m = 0,3347 kg.pie	kg.pie= 2,988 N.m	N.m = 0,102 kg.m

Unidad/Sistema	C.G.S	M.K.S	Técnico	otros 1	otros 2
Masa	gr.	Kg	slug	Lb
Longitud	cm.	m	m	pulg.	pie
Tiempo	s	s	s	s	s
Velocidad	cm/s	m/s	m/s	pulg/s	pie/s
Aceleración	cm/s ²	m/s ²	m/s ²	pulg/s ²	pie/s ²
Fuerza	dina	N	Kgf	Lbf
Presión	dina/cm ²	Pa = N/m ²	Kgf/m ²	Lbf/pulg ²	atmósfera o lbf/pie ²
Trabajo	ergio	(J) Joule	B.T.U		cal
Potencia	ergio/s	Watt (J/s)	H.P	C.V	cal/s
Momento	dina.cm	N.m	Kgm	Lbf.pulg	Lbf.pie

2.    EJERCICIOS  DE APLICACIÓN.

EJEMPLOS:

Kw.h=kilowatt.hora

1 kgf.m =kilogramo fuerza, masa

Problema n° 1 resuelto) Transformar 250 kgf.m a Joul y kW.h.

Solución del ejercicio n° 1 de Cálculo de trabajo y cambio de unidades, Joul, kwh:

Desarrollo

1 kgf.m	→	9,807 J
250 kgf.m	→	x = 250 kgf.m × 9,807 J/1 kgf.m

x = 2451,75 J

1 W = 1 J/s
1kW = 1.000 J/s
1kW.h = 1.000 J.3.600 s/s
1kW.h = 3.600.000 J s/s
1 J = 1kW.h/3.600.000

1 kgf.m	→	9,807 J/3.600.000
250 kgf.m	→	x = 250 kgf.m × 9,807 J/3.600.000 kgf.m

x = 6,81.10^-4 kW.h

Problema n° 2resuelto) Indicar cuántos Joul y kW.h son 125478 kgm.

Desarrollo

1 kgf.m	→	9,807 J
125.478 kgf.m	→	x = 125.478 kgf.m × 9,807 J/1 kgf.m

x = 1.230.563 J

1 kgf.m	→	9,807 J/3.600.000
125.478 kgf.m	→	x = 125.478 kgf.m × 9,807 J/3.600.000 kgf.m

x = 0,3418 kW.h

Problema n° 3 resuelto) Indicar el trabajo necesario para deslizar un cuerpo a 2 m de su posición inicial mediante una fuerza de 10 N.

Desarrollo

L = F × d
L = 10 N × 2 m
L = 20 J

Solución del ejercicio n° 1 de Potencia y cambio de unidades, HP, cv, kw y watt:

Problema n° 1) Transformar 2500 kW a:

a) cv.

b) Kgm/s.

Desarrollo

Datos:

2.500 kW = 2.500.000 W

a)

1 W	→	0,00136 cv
2.500.000 W	→	W = 2.500.000 W.0,00136 cv/1 W

W = 3.401 cv

b)

1 W	→	0,102 kgf.m/s
2.500.000 W	→	W = 2.500.000 W.0,102 (kgf.m/s)/1 W

W = 255.000 kgf.m/s

Problema n° 2 de potencia) Una grúa levanta 2000 kg a 15 m del suelo en 10 s, expresar la potencia empleada en:

a) cv.

b) W.

c) HP.

Desarrollo

Datos:

m = 2000 kg

h = 15 m

t = 10 s

W = L/t
W = P.d/t
W = m.g.d/t
W = 2000 kg.(10 m/s ²).15 m/10 s
W = 30000 W

a)

1 W	→	0,00136 cv
30000 W	→	W = 30000 W.0,00136 cv/1 W

W = 40,8 cv

1 W	→	0,102 kgf.m/s
30000 W	→	W = 30000 W.0,102 (kgf.m/s)/1 W

W = 3060 kgf.m/s

1 W	→	0,00134 HP
30000 W	→	W = 30000 W.0,00134 HP/1 W

W = 40,2 HP

ENLACES  RECOMENDADOS  PARA ESTE TEMA

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/dinamica/trabajo/energia/energia.htm
http://www.profesorenlinea.cl/fisica/Energia_fuerza_trabajo.html

3.    EVALUACIÓN O TALLER.
Problema n° 1) Transformar 40 kgf.m a Joul y kW.h.

Problema n° 2) Indicar el trabajo necesario para deslizar un cuerpo a 8 m de su posición inicial mediante una fuerza de 50N.

Problema n°  de potencia) un elefanta levanta un tronco de 300 kg a 5 m del suelo en 4 s, expresar la potencia empleada en:

a) cv.

b) W.

c) HP.

Desarrollo

Responder el siguiente cuestionario:

Pregunta n° 1) ¿Qué es el trabajo mecánico?.

Pregunta n° 2) ¿En que unidades se mide el trabajo?.

Pregunta n° 1) ¿Qué es la potencia?

Pregunta n° 4) ¿Qué es el kilowatt hora?.