FUERZA

FUERZA:

La palabra trabajo tiene un significado en física muy diferente al que se utiliza en la vida ordinaria. En la vida ordinaria, trabajo es equivalente a "esfuerzo"; en física, para que haya trabajo, es preciso una fuerza sobre un objeto y un desplazamiento de éste. Para comprender mas al respecto sobre trabajo como fuerza constante que se le ejerce a un cuerpo para se produzca un movimiento los invito para realizar el TALLER I de forma individual utilizando una página web didáctica.

El problema fundamental de la Mecánica es describir como se moverán los cuerpos si se conocen las fuerzas aplicadas sobre él. La forma de hacerlo es aplicando la segunda Ley de Newton, pero si la fuerza no es constante, es decir la aceleración no es constante, no es fácil determinar la velocidad del cuerpo ni tampoco su posición, por lo que no se estaría resolviendo el problema.

TRABAJO REALIZADO POR UNA FUERZA CONSTANTE.

Si la fuerza F que actúa sobre una partícula es constante (en magnitud y dirección) el movimiento se realiza en línea recta en la dirección de la fuerza. Si la partícula se desplaza una distancia x por efecto de la fuerza F (figura 1), entonces se dice que la fuerza ha realizado trabajo W sobre la partícula de masa m, que en este caso particular se define como:

Si la fuerza constante no actúa en la dirección del movimiento, el trabajo que se realiza es debido a la componente x de la fuerza en la dirección paralela al movimiento, como se ve en la figura 2a. La componente y de la fuerza, perpendicular al desplazamiento, no realiza trabajo sobre el cuerpo.

Si  es el ángulo medido desde el desplazamiento x hacia la fuerza F, el valor del trabajo W es ahora:

De acuerdo a la ecuación anterior, se pueden obtener las siguientes conclusiones:

a) si α = 0º, es decir, si la fuerza, como en la figura 1, o una componente de la fuerza, es paralela al movimiento,

W = (F cos 0) x = F x;

b) si α = 90º, es decir, si la fuerza o una componente de la fuerza es perpendicular al movimiento, W = (F cos90) x = 0, no se realiza trabajo;

c) si la fuerza aplicada sobre el cuerpo no lo mueve, no realiza trabajo ya que el desplazamiento es cero;

d) si 0 < α < 90º, es decir, si la fuerza tiene una componente en la misma dirección del desplazamiento, el trabajo es positivo;

e) si 90º < α < 180º, es decir, si la fuerza tiene una componente opuesta a la dirección del desplazamiento, el trabajo es negativo.

Ejemplos:

(a) ¿Qué trabajo realiza una fuerza de 15 N, cuando desplaza un cuerpo 13 m en la dirección que se aplicó?

F = 15 N ; x = 13 m; T = F. x = (15 N)(13 m); T = ?

T = 195 J

(b) Un bulto de cemento de 30 kg es conducido horizontalmente por un operario una distancia de 24 m, luego lo lleva hasta una plataforma que se encuentra a 6,4 m de altura. ¿Qué trabajo realiza el operario?

El operario solo realiza trabajo cuando lleva el bulto a 6,4 m de altura; cuando es conducido no realiza trabajo porque el ángolo que forma la fuerza y el desplazamiento es de 90° y cos de 90° = 0

T = F. x = mg. x = (30 kg)(9,8 m/s2)(6,4 m) T = 1.881,6 J

(c) Un bloque de 12 kg es empujado sobre un plano inclinado que forma un ángulo de 38º con la horizontal hasta una altura de 4 m, mediante una fuerza de 480 N paralela a la superficie del plano, si el coeficiente de rozamiento entre el bloque y el plano es 0,18, calcula:

1) El trabajo realizado por cada una de las fuerzas que actúan sobre el bloque.

2) El trabajo neto realizado sobre éste.

m = 12 kg  = 38º h = 4 m F = 480 N

 = 0,18 TF = ? TN = ? Tpeso = ?

TFr = ? TNeto = ?

Se calcula el desplazamiento del cuerpo hasta llegar a la parte superior:

 Trabajo realizado por la fuerza externa:

TF = F.x.cos0 = (480)(6,5cos0)

TF = 3.120 J

 Trabajo realizado por la fuerza normal:

TN = N.x.cos90º = N.x.(0)

TN = 0 J

 Trabajo realizado por la fuerza de fricción:

De la ecuación (2) tenemos que:

N = mgcos

Fr = N = mgcos

TFr = Fr.x.cos180 = mgcos.x.cos180 = (0,18)(12)(9,8cos38)(6,5cos180)

TFr = –108,42 J

 Trabajo realizado por el peso:

Tpeso = mgsen.x.cos180 = (12)(9,8sen38)(6,5cos180)

Tpeso = –470,61 J

 Trabajo neto:

Tneto = 3.120 J + 0 J – 108,42 J – 470,61 J

Tneto = 2.540,97 J

POTENCIA

En la mayoría de los procesos de intercambio energético y/o realización de trabajo un factor importante es el tiempo empleado en el proceso.

Si nos fijamos en aquellos aparatos que como una nevera, un secador, una bombilla que consumen energía eléctrica y la transforman para enfriar, calentar, iluminar...,la magnitud física que relaciona la energía eléctrica consumida en una unidad de tiempo se llama potencia.

La potencia se aplica a cualquier proceso de transferencia energética. Así por ejemplo también podemos hablar de la potencia de una grúa para elevar una carga, como el trabajo desarrollado por el montacargas en la unidad de tiempo.

Sabemos que la fuerza mínima necesaria para mover un objeto es aquella que contrarresta a las fuerzas que existen en contra de la dirección del movimiento. Esto equivale a encontrar una fuerza que haga nula a la fuerza resultante que actúa sobre el objeto.

Una situación muy frecuente en proyectos de construcción es la utilización de grúas. El conocimiento de la magnitud de la carga que vamos a elevar es esencial para elegir el montacargas. La potencia es una cuestión importante

Entonces potencia la podemos definir como la rapidez con que se efectúa un trabajo. Y por eso a una cantidad dada de trabajo efectuado en un intervalo largo de tiempo le corresponde una potencia muy baja, mientras que si la misma cantidad de trabajo se efectúa en un corto intervalo de tiempo, la potencia desarrollada es considerable.

Es muy frecuente utilizar como unidad de trabajo el producto de una unidad de potencia por unidad de tiempo.

Un vatio es la potencia que desarrolla una máquina que realiza un trabajo de un julio en un segundo.

Por ejemplo el kilovatio hora es el trabajo hecho por una máquina que desarrolla una potencia de un kilovatio durante una hora.

Operacionalmente, potencia es el trabajo razón entre

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