Ciencias naturales básicas



Trabajo energía y potencia: conceptos básicos con ejemplos

En mecánica, la parte de la física que estudia el movimiento, trabajo, energía y potencia, son conceptos estrechamente relacionados con el concepto de fuerza.

Trabajo energía y potencia
Figura 1. Trabajo energía y potencia

Para establecer sus relaciones y sus respectivas diferencias, empecemos por recordar que las fuerzas pueden agruparse en dos grandes grupos:

  • Las fuerzas que se desplazan mientras actúan sobre los cuerpos. Por ejemplo, la fuerza que ejerce un caballo que hala de un carro.
  • Las fuerzas que no se desplazan mientras actúan sobre los cuerpos. Por ejemplo, la fuerza qué ejerce una columna que sostiene un techo.

El trabajo que una fuerza realiza

Las fuerzas que se desplazan mientras actúan sobre los cuerpos, son las responsables de producir y mantener el desplazamiento de dichos cuerpos. Por lo tanto, las fuerzas que desplazan un cuerpo son las únicas capaces de realizar un trabajo. Por el contrario, las fuerzas que no logran desplazar un cuerpo no realizan un trabajo.

En otras palabras, la magnitud del trabajo realizado por una fuerza que se aplica sobre un cuerpo, depende tanto de la intensidad de la fuerza como del desplazamiento producido por dicha fuerza.

El trabajo realizado aumenta, en la medida en que la intensidad de la fuerza aplicada sea mayor. En consecuencia, se hace más trabajo al levantar una caja llena de rocas a un metro del piso, que, al levantar a un metro, esa misma caja llena de plumas.

Del mismo modo, el trabajo realizado aumenta, en la medida en que aumenta el desplazamiento del cuerpo, sobre el que actúa la fuerza. Es decir, que se hace más trabajo al tirar de un carro durante 100 metros que al tirar de ese mismo carro durante sólo 10 metros.

El trabajo se mide en unidades llamadas julios o Joule, cuyo símbolo es J.

Un julio es el trabajo que realiza una fuerza de un newton para desplazar un cuerpo una distancia de un metro.

Podemos calcular el trabajo con ayuda de la siguiente ecuación:

\[W=F\times d\]

En donde:

  • W es el trabajo realizado, expresado en julios (J).
  • F es la fuerza aplicada, expresada en newton (N).
  • d es el desplazamiento efectuado por el cuerpo, expresado en metros (m).

La energía y la potencia

La energía interviene en todos los fenómenos que ocurren en el universo. Se necesita energía para levantar una maleta del piso, para que una bombilla alumbre o para que nuestros alimentos se cocinen.

Aunque la energía es difícil de definir, se puede decir que la energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realzar un trabajo.

Cuando se realiza un trabajo, la energía se transmite de unos cuerpos a otros. El cuerpo que realiza un trabajo transmite parte de su energía al cuerpo sobre el cual realiza el trabajo. Por ejemplo, cuando un niño lanza una pelota, transmite parte de la energía de sus músculos a la pelota, logrando que la pelota se mueva.

Según lo dicho, para medir la energía que se transmite de un cuerpo a otro, se mide el trabajo que el primer cuerpo ha realizado sobre el segundo. Por esta razón, la energía se expresa en las mismas unidades que el trabajo, es decir en julios (J). La tabla 1 ilustra un ejemplo.

Un ejemplo 1:

Una persona aplica una fuerza de 0.25 Newton sobre una esfera, deslizándola sobre una superficie horizontal sin rozamiento. La esfera se desplaza 12,5 metros (figura 1). ¿Cuál es el trabajo realizado sobre la esfera? ¿Cuánta energía fue transferida de la persona a la esfera?

Trabajo energía y potencia
Figura 1.

Solución:

Según la fórmula de trabajo, este se calcula multiplicando fuerza por distancia. Por tanto, la magnitud del trabajo es:

W = 0.25N × 12.5m = 3.125J (El trabajo sobre la esfera fue de 3.125 julios)

De otro lado, sabemos que la energía transferida es la medida del trabajo realizado. Por lo tanto, la persona transfirió 3.125 julios de energía a la esfera.

Es importante tener en cuenta, que los fenómenos físicos NO son tan simples. En algunos modelos de ejercicio se tendrán en cuenta variables como las fuerzas de rozamiento, por ejemplo, pero siempre el trabajo realizado sobre un cuerpo, corresponde al valor de la energía que se le transfiere.

La potencia

No todas las fuerzas que realizan un trabajo son iguales:

Algunas fuerzas realizan el mismo trabajo que otras, pero lo hacen en menos tiempo. Así, un tractor necesita mucho menos tiempo para arar un campo que un par de mulas. Algunas fuerzas realizan más trabajo que otras, justamente en el mismo tiempo. Así, un ciclista que pedalea cuesta arriba durante un tiempo realiza más trabajo que otro que pedalea cuesta abajo durante el mismo tiempo.

Decimos, entonces, que La potencia indica la relación que existe entre el trabajo realizado y el tiempo que se ha empleado para realizarlo.

Cálculo de la potencia

La potencia se mide en unidades llamadas vatios, cuyo símbolo es w. Un vatio es la potencia desarrollada por una fuerza de un newton que realiza un trabajo equivalente a un julio durante un segundo.

Podemos calcular la potencia con ayuda de la siguiente ecuación matemática:

\[P={W\over t}\]

En donde:

  • P es la potencia desarrollada, expresada en vatios (W).
  • w es el trabajo realizado, expresado en julios (J).
  • t es el tiempo empleado, expresado en segundos (s).

Aunque atendiendo al (SI), la potencia se mide en vatios, existen dos unidades de potencia que, en la práctica, se utilizan más que el vatio. Estas dos unidades son:

  • El kilovatio (k W), que equivale a 1.000 vatios.
  • El caballo de vapor (hp), que equivale a 735 vatios y recibe este nombre por ser aproximadamente, la potencia que desarrolla un caballo de tiro.

Ejemplo 2. Si el trabajo realizado, en el ejemplo 1, tarda 3,5 segundos, ¿Cuál es el valor de la potencia?

\begin{eqnarray} P&=&{W\over t}\\ P&=&{3.125J\over 3,5s}\\ P&=&892,85w\\ \end{eqnarray}

Taller de lectura

  1. ¿En qué forma se pueden agrupar las fuerzas? De un ejemplo de cada una
  2. ¿De qué son responsables las fuerzas que se desplazan mientras actúan sobre los cuerpos?
  3. ¿Qué fuerzas son capaces de realizar un trabajo? ¿Qué fuerzas no realizan trabajo?
  4. ¿De qué depende la magnitud del trabajo realizado por una fuerza?
  5. ¿En qué medida aumenta el trabajo en relación con la intensidad de la fuerza aplicada? De un ejemplo
  6. ¿en qué medida aumenta el trabajo en relación con el desplazamiento del cuerpo? De un ejemplo
  7. ¿En qué unidades se mide el trabajo y cuál es su símbolo?
  8. ¿Qué es un julio?
  9. Copie la ecuación con la cual podemos calcular el trabajo. ¿Qué significan las letras (w, F, d) y en qué unidades se expresa cada una?
  10. ¿En qué fenómenos interviene la energía? De ejemplos
  11. ¿Qué es la energía?
  12. ¿Qué pasa con la energía cuando se realiza un trabajo? De un ejemplo
  13. ¿por qué razón, la energía se mide en las mismas unidades que el trabajo?
  14. Copie el ejemplo de la tabla 1.
  15. ¿Qué indica la potencia?
  16. ¿En qué unidades se mide la potencia y cuál es su símbolo?
  17. ¿Qué es vatio?
  18. Copie la ecuación matemática que permite el cálculo de la potencia ¿Qué significan las letras (P, w, t) y en qué unidades se expresa cada una?
  19. ¿Qué unidades de potencia se utilizan más que el vatio? Defina cada una y, además, copie el ejemplo 2.
  20. En sus propias palabras, diga que relación hay entre trabajo, energía y potencia.
  21. Copie la figura 1 que muestra las diferencias entre trabajo, energía y potencia.