Energía y trabajo

 

El trabajo se realiza cuando la fuerza se mueve a lo largo de una distancia.

empujar una caja

Si no hay movimiento, ¡no hay trabajo!

levantar pesos
Estas personas están trabajando porque están levantando pesas.

mantener un peso levantado
Esta persona trabajó para levantar las pesas,
pero en este momento no está haciendo ningún trabajo porque las pesas no se mueven.

estatua de un hombre haciendo un levantamiento
Este chico tampoco está haciendo ningún trabajo.

tractor jalando
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.

Por lo tanto, no se incluye ninguna fuerza que esté lateral al 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°.

empujar una caja con inclinación de 20 grados

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
fuerza a lo largo de la distancia
  fuerza a 60 grados de la distancia
  fuerza a 90 grados de la distancia
W = Fd   W = Fd × 0.5   W = 0

Así que recuerda:

Energía

La energía es la capacidad de realizar un trabajo .

Es como si la energía estuviera almacenada en el trabajo .

¡La energía puede ser de muchas formas!

resorte
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!

martillo

Un martillo tiene energía mecánica:

La energía pasa de un almacenamiento a otro o se calienta:

energía, trabajo y calor

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.

vehículo en movimiento

Aquí hay un diagrama de Sankey para el motor de gasolina de un automóvil:

diagrama de Sankey para motor de coche

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.

manzana 1m

Ejemplo: ¿Cuánta energía se necesita para levantar una manzana de 0.1 kg hasta 1 metro?

gravedad, manzana, fuerza

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

F1 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:

gotas

Y:

Un kilojulio (kJ) es 1000 J:

Un megajulio (MJ) es 1 millón de J:

Un gigajulio (GJ) es mil millones de J:

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

 

¡Refuerza tu aprendizaje resolviendo los siguientes retos sobre este tema! (Nota: están en inglés).