Energía y trabajo
El trabajo se realiza cuando la fuerza se mueve a lo largo de una distancia.
Si no hay movimiento, ¡no hay trabajo!
Estas personas están trabajando porque están levantando pesas.
Esta
persona trabajó para levantar las pesas,
pero en este momento no está haciendo ningún trabajo
porque las pesas no se mueven.
Este chico tampoco está haciendo ningún
trabajo.
Este tractor está
trabajando
mientras arrastra el heno.
¡Misma dirección!
La fuerza y el movimiento se miden en la misma dirección.
Trabajo = Fuerza × Distancia × cos θ
Donde θ es el ángulo entre la fuerza y la dirección del movimiento.
Ejemplo: Carlos empuja una caja 3 m hacia adelante usando 200 N de fuerza. Pero su empuje es un poco hacia arriba en 20°.
Empieza con
Trabajo = Fuerza × Distancia × cos θ
Pon los valores que conocemos:
Trabajo = 200 N × 3 m × cos 20°
Trabajo = 200 N × 3 m × 0.9397...
Trabajo = 564 N m (redondeado a N m)
1 N m es 1 Joule (J) la unidad preferida para trabajo y energía (más sobre esto más adelante):
Trabajo = 564 J
(Sin cos θ, el valor incorrecto sería 600 J)
Aquí hay algunos otros ángulos:
| cos(0°)=1 | cos(60°)=0.5 | cos(90°)=0 | ||
 |
 |
 |
||
| W = Fd | W = Fd × 0.5 | W = 0 |
Así que recuerda:
- Sin movimiento no hay trabajo
- Fuerza y movimiento en la misma dirección
- Trabajo = Fuerza × Distancia × cos θ
Energía
La energía es la capacidad de realizar un trabajo .
Es como si la energía estuviera almacenada en el trabajo .
- Cuando el trabajo se hace por algo se pierde la energía
- Cuando se trabaja en algo, gana energía.
¡La energía puede ser de muchas formas!
Un resorte en espiral tiene energía elástica.
Una batería contiene energía eléctrica. Podemos drenar esa energía para trabajar.
El combustible contiene energía química. Un motor puede convertir ese combustible (con oxígeno) en trabajo, ¡haciendo que su automóvil funcione!
Un martillo tiene energía mecánica:
- cuando se eleva tiene energía potencial (la energía de la posición)
- al caer tiene energía cinética (la energía del movimiento)
La energía pasa de un almacenamiento a otro o se calienta:
El calor también es un tipo de energía. De hecho, la cantidad total de energía permanece igual:
La energía no se puede crear ni destruir.
Esto se llama Conservación de Energía: la energía simplemente se transforma y el total permanece constante.
Un sistema pierde energía cuando lo abandona. Una batería pierde energía cuando enciende una luz. Nuestros cuerpos pierden calor todo el tiempo.
Y cuando decimos "la energía se pierde en forma de calor", realmente queremos decir que la energía se disipa (se extiende) en el medio ambiente, no desaparece del Universo.
Diagramas de Sankey
Un "Diagrama de Sankey" muestra a dónde va la energía. El ancho de la flecha muestra cuánto va a dónde.
Aquí hay un diagrama de Sankey para el motor de gasolina de un
automóvil:
Nota: "MJ" es Megajulio (Millones de Julios). ¡Súmalos para asegurarte de que los totales coincidan!
El Joule
La unidad básica de energía y trabajo es el Joule o Julio (J):
1 Joule es el trabajo realizado por 1 Newton moviéndose 1 metro
1 J = 1 N × 1 m
El Joule tiene las unidades N m, o kg m2/s2 (porque un Newton es kg m/s2)Solo cuentan la fuerza y el movimiento en la misma dirección, por lo que una descripción más precisa es:
1 J es el trabajo realizado a un objeto cuando una fuerza de 1 N actúa sobre ese objeto en la dirección de su movimiento a lo largo de una distancia de 1 metro.
Ejemplo: ¿Cuánta energía se necesita para levantar una manzana de 0.1 kg hasta 1 metro?
Para sostener una manzana de 0.1 kg contra la gravedad se necesita 1 Newton de fuerza:
F = mg
F = 0.1 kg × 9.8 m/s2
F ≈ 1 N
Pero sostener una manzana no es trabajo, ¡la manzana necesita moverse!
Entonces, elevarlo usando 1 N durante 1 m (¡ambos en la misma dirección!) da:
Trabajo = 1 N × 1 m ×
cos 0°
= 1 J
¿Qué tanto?
Un julio equivale a:
- la energía necesaria para levantar una manzana de 0.1 kg hasta 1 metro
- La energía que se libera cuando la manzana vuelve a caer.
- El calor necesario para elevar una sola gota de agua en 5° C.
- 1 vatio de electricidad durante 1 segundo
Y:
- Una luz LED usa aproximadamente 3 J por segundo
- Un humano en reposo libera alrededor de 60 J de calor por segundo
Un kilojulio (kJ) es 1000 J:
- Un calentador de ventilador libera aproximadamente 2 kJ de calor cada segundo
- para calentar el agua para una taza de café se necesitan 80 kJ
Un megajulio (MJ) es 1 millón de J:
- Un automóvil de 2500 kg que circula a velocidad de autopista tiene 1 MJ de energía
- Un televisor grande consume aproximadamente 1 MJ de electricidad cada hora
- Un kW h (kilovatio hora) de electricidad equivale a 3.6 MJ
- Un calentador de ventilador libera alrededor de 8 MJ de calor cada hora.
Un gigajulio (GJ) es mil millones de J:
- La energía solar que cae sobre un techo es de aproximadamente 1 GJ a 5 GJ todos los días.
- Una persona usa alrededor de 20 GJ en su hogar cada año.
Eficiencia
La eficiencia es la cantidad de energía útil como porcentaje de la energía total .
Eficiencia = Energía útil Energía total como porcentaje
Ejemplo: por cada 100 MJ (Megajulios) de energía que usa un motor de gasolina, solo 25 MJ se destinan a impulsarlo.
Eficiencia = 25 MJ 100 MJ = 25%
Eficiencia = 25 MJ 100 MJ = 25%
Resumen
- El trabajo es fuerza multiplicada por la distancia (¡en la misma dirección!)
- W = F d cos θ
- La energía es la capacidad de realizar un trabajo.
- La energía pasa de un almacenamiento a otro o se calienta
- La energía no se puede crear ni destruir (conservación de la energía)
- La unidad básica de energía es 1 Joule (J)
- 1 J = 1 N m
¡Refuerza tu aprendizaje resolviendo los siguientes retos sobre este tema! (Nota: están en inglés).
