M@RFISIK 20.17

Desde el MARFISU, 50 años, compartiendo experiencias con la Fisica y un poco mas…

Energía

“Nunca consideres el estudio como una obligación sino como una oportunidad para penetrar en el bello y maravilloso mundo del saber” Albert Einstein

CONCEPTOS FUNDAMENTALES

  1. Trabajo

  • 1.1. ¿Qué es trabajo mecánico?
  • 1.2. ¿Cuándo se realiza trabajo sobre un objeto?
  • 1.3. ¿Cuándo se realizas trabajo positivo y trabajo negativo?
  • 1.4. ¿Cuándo no se realizas trabajo sobre un objeto?
  1. Potencia

  2. Energía

  • 3.1. Tipos de energía
  • 3.1.1. Energía Mecánica. Energía Cinética y Energía Potencial (Gravitacional y Elástica)
  • 3.2. Teorema del trabajo y la energía
  • 3.4. Conservación de la Energía Mecánica
  1. Cantidad de movimiento e Impulso

  2. Conservación de la cantidad de movimiento

  3. Colisiones o choques.

  • 6.1. Choques o colisiones elástica.
  • 6.2. Choques o colisiones inelástica.

 

1. Trabajo Mecánico

Tú dices que trabajas cuando estudias para un examen. Un periodista de televisión piensa que trabajar es dar las noticias. ¡Pero un científico no estaría de acuerdo!

En física el término trabajo tiene un sentido especial. Tú realizas trabajo cuando empujas un cuerpo y este se mueve en la misma dirección de la fuerza, cuando levantas o lanzas un objeto.

 

¡Pero no siempre que aplicas una fuerza, realizas trabajo! ¿Cómo es esto posible? ¿Por qué los brazos de estas personas no realizan trabajo al sostener la carga?

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Contesta en tu cuaderno las siguientes preguntas:

  •  ¿Qué es trabajo mecánico?

  • ¿Cuándo se realiza trabajo sobre un objeto?

  • ¿Cuándo se realizas trabajo positivo y trabajo negativo?

  • ¿Cuándo no se realizas trabajo sobre un objeto?

Primera Actividad.

1. Ingresa al aplicativo: “La manzana de Newton” de Rafael Jimenez Prieto y Pastora M Torres Berdugo. Comienza  a estudiar en detalle la teoría y resuelve las actividades en tu cuaderno.

2. Observa los siguientes vídeos:

TRABAJO MECÁNICO. CIENCIAS de  RODNEY DIAZ HERRERA

Trabajo Mecánico Ejercicios Resueltos – Introducción y Explicación, de Mate Movil

 En conclusión: trabajo es el producto de una fuerza aplicada sobre un cuerpo y del desplazamiento del cuerpo en la dirección de esta fuerza.

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.

La unidad de trabajo en el Sistema Internacional de Unidades es el Joule ( J ) en honor al físico inglés James P. Joule.

1 Newton x 1 metro = 1 Joule. Una persona realiza un trabajo de un Joule cuando desplaza un metro un cuerpo, ejerciendo una fuerza de un Newton.

La unidad de trabajo del Sistema sexagesimal es el ergio, equivalente al realizado por una DINA cuando su punto de aplicación recorre un centímetro.

Ergio (erg) = dina x cm.    ( 1 Joule = 10^7  ergios )

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Ahora, observa, analiza y copia en tu cuaderno los siguientes problemas

2. ¿Qué es la potencia mecánica?

Potencia Mecánica. Profesor Víctor Ahumada Aguilera

La  Potencia (P), es el trabajo desarrollado en una unidad de tiempo. La potencia indica la rapidez con la cual se realiza un trabajo. Así, cuanto más rápida sea una maquina para realizar un trabajo, mayor será la potencia desarrollada por ésta.

En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo del cual se efectúa dicho trabajo. Potencia =Trabajo / Tiempo.

También la potencia es igual al producto de la Fuerza por la Velocidad  P = F . V

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La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio o el watt (W) en honor al físico escocés James Watt, que equivale a la potencia necesaria para efectuar 1 joule de trabajo cada segundo. Es usual expresar la potencia en caballos de potencia (HP), que equivale a 746 vatios y en Kilovatios (KW) que equivale a 1000 vatios. (Es la potencia que suministra una grúa al levantar un objeto de 100Kg una altura de un metro en un segundo)

Como Trabajo = potencia x tiempo  y  Trabajo = Energía , entonces

Energía consumida = potencia x Tiempo.

El kilovatio hora, abreviado Kwh. es una unidad de energía. Equivale a la energía desarrollada por una potencia de un kilovatio (kW) durante una hora, equivalente a 3,6 millones de julios.  El kilovatio-hora se usa generalmente para la facturación de energía eléctrica, dado que es más fácil de utilizar que la unidad de energía del SI de unidades, el julio, la cual corresponde a un watio-segundo (W.s).

3. ¿Qué es la Energía?

En todos los actos cotidianos se emplea algo de fuerza. Al levantarnos, peinarnos, caminar, correr, jugar, trabajar, etc.  Siempre se necesita de fuerza para poder desenvolvernos con facilidad, según las exigencias del medio ambiente que nos rodee.

La capacidad que posee una persona, o un objeto, para ejercer fuerza y realizar cualquier trabajo, se denomina: Energía.

Vivimos en un océano de energía, la energía te rodea, puedes oírla como sonido, verla como luz, sentirla como viento. Tu usas energía al golpear una pelota, presionar un resorte o levantar una bolsa con comestibles. Los organismos vivos necesitan energía para crecer y moverse. Cuando un pájaro vuela, una bomba explota, la lluvia cae, una bombilla se enciende, la energía esta actuando. Puede sorprenderte que tu cuerpo sea una “factoría de energía” que almacena y transforma varias formas de energía.

La energía es la capacidad de producir un trabajo en potencia o en acto. Por eso decimos que alguien tiene mucha energía cuando realiza grandes actividades durante el día como: trabajar, estudiar o practicar deportes.

En resumen:

  • Todos los cuerpos, pueden poseer energía debido a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades.

  • En física, Energía es la capacidad de obrar, transformar y poner en movimiento.

  • La energía se define como la capacidad de realizar un trabajo. Energía y trabajo son equivalentes, y por tanto se expresan en las mismas unidades.

  • El calor es una forma de energía, por lo que también hay una equivalencia entre unidades de energía y de calor.

 

3.1. Formas de Energía.

Video 2. Energía. Tipos de Energías y Transformaciones de la energía.

Existen diferentes formas de energía. Y por su naturaleza, las cincos formas principales de energía son:

3.1.1. Energía Mecánica. La Energía mecánica (Em), expresa la capacidad que poseen lo cuerpos con masa de efectuar un trabajo. Por ejemplo: La energía que poseemos para correr en bicicleta o la que posee el agua de una cascada que al caer hacer mover las aspas de una turbina, el sonido que percibes.

La energía mecánica es la combinación o suma de la Energía cinética (Ec) y la Energía potencial (Ep).Em = Ec + Ep

La energía cinética es la energía que posee un cuerpo de masa m por encontrarse en movimiento. Por ejemplo, la energía del agua al caer de una cascada, la energía del aire en movimiento (Energía eólica), incluso la sangre que circula por tus venas tiene energía cinética, etc

Cualquier cuerpo en movimiento tiene la capacidad de realizar un trabajo porque tiene energía de movimiento o energía cinética.

Cuando un  objeto de masa m se mueve con una velocidad V, posee una energía cinética Ec, dada por la ecuación: Ec = ½ m.v2

De acuerdo con esta ecuación, si la velocidad de un objeto se duplica, su energía cinética se cuadruplica. En consecuencia se necesita cuatro veces más trabajo para duplicar la velocidad. También se requiere el cuádruplo de trabajo para detener un objeto que se mueve con el doble de velocidad.

La energía potencial puede expresarse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Por ejemplo, si se mantiene una pelota a una cierta altura del suelo, el sistema formado por la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; si se eleva más la pelota, la energía potencial del sistema aumenta. Otros ejemplos de sistemas con energía potencial son una cinta elástica estirada o dos imanes que se mantienen apretados de forma que se toquen los polos iguales, una cuerda de un reloj enroscada tiene el potencial de mover las agujas del reloj cuando se desenrosca, el arco tenso de un arquero tiene el potencial de lanzar una flecha hasta el blanco.

Puede ser:Energía potencial gravitacional  y Energía potencial elástica

Energía potencial gravitacional. Si un cuerpo de masa m se sitúa a una altura h, arriba de un nivel de referencia, éste cuerpo posee una energía potencial gravitacional con respecto a este nivel, expresado por: Epg = m.g.h

La cantidad de energía potencial gravitacional que posee un cuerpo elevado es igual al trabajo realizado contra la gravedad para situarlo en esa posición.

Si la energía potencial gravitacional para el objeto es de 200 J ¿Cuál es el trabajo que hace para levantarlo a 2m de altura y cuál es la fuerza que se aplica en cada caso?

Relación entre el trabajo y la energía potencial gravitacional.

Para proporcionar energía potencial a un sistema es necesario realizar un trabajo. Se requiere esfuerzo para levantar una pelota del suelo hasta una altura h, debido a la atracción de la tierra, si este cuerpo se dejara caer seria capaz de realizar un trabajo al llegar al piso: podría aplastar un objeto, perforar el suelo, comprimir un resorte, etc.

Energía potencial elástica U.

Un cuerpo unido al extremo de un resorte comprimido  (o estirado), al soltarlo será empujado (o halado) por el resorte, adquiriendo la capacidad  de realizar un trabajo, ya que adquiere energía potencial elástica.

Recordemos  la Ley de Hooke: La fuerza F ejercida por un resorte es directamente proporcional a su deformación x, o sea: f a x.

Luego: F = k.x, donde k es la constante elástica del resorte.

Al empujar el cuerpo, el resorte realiza sobre le él un trabajo cuyo valor está dado por el área coloreada. Por  tanto Un cuerpo unido a un resorte de constante elástica k, y con una deformación x, posee una energía potencial elástica dada, por: U = ½ k.x2

La energía potencial se manifiesta de otras formas. Por ejemplo, los objetos eléctricamente cargados tienen energía potencial como resultado de su posición en un campo eléctrico. Un explosivo tiene energía potencial química que se transforma en calor, luz y energía cinética al ser detonado. Los núcleos de los átomos tienen una energía potencial que se transforma en otras formas de energía en las centrales nucleares.

La ley de conservación de la energía mecánica.

Energía hidráulica: el agua almacenada de los ríos y lagos, al caer de cierta altura, transforma su energía Potencial en Cinética, que a su vez puede convertirse en energía cinética de rotación de una turbina, que finalmente se transforma en energía eléctrica. Cuando enciendes un bombillo, no toda la electricidad que circula por el filamento se convierte en luz, tal vez esto te haga pensar que se pierde energía. Pero no es así, se convierte en calor. La energía nunca se pierde.

Los científicos han descubierto que aún cuando se convierte de una forma a otra, no se gana o pierde energía en el proceso. La ley de la conservación de la energía afirma que la energía no se crea ni se destruye; se puede transformar de una forma en otra, pero la cantidad total de energía no cambia jamás. Em = Ec + Ep = Constante}

a. Observa la conservación de la energía en la Montaña Rusa

b. Realiza:

CRUCIGRAMA  de EDUCAPLAY

SOPA DE LETRA de EDUCAPLAY

c. Para ampliar tus conocimientos, ingresa a la siguiente pagina Web:

TEMAS CLAVES. LIBROS VIVOS . NET

Observa, analiza y aprende sobre los tipos de energía, a través de los siguientes vídeos:

 

4. Cantidad de movimiento (ímpetu o momento lineal).

cantidad de mov

¿Por qué es más difícil detener un camión que un auto pequeño cuando ambos autos se desplazan con la misma rapidez?

La cantidad de movimiento o ímpetu (p) de un cuerpo de masa m, que se mueve con una velocidad V, está definida por la expresión:

p = m.V

Las unidades de la cantidad de movimiento son Kilogramo x metros/segundo y tiene la misma dirección y sentido de la velocidad.

IMPULSO (I) Cuando un jugador de fútbol hace un tiro, cuando un tenista, con su raqueta, regresa una bola, tenemos en ambos casos, una fuerza que actúa durante un breve intervalo de tiempo sobre una pelota, lo cual hace que sea impulsada. Siempre que una fuerza actué sobre un cuerpo durante cierto intervalo de tiempo, diremos que el objeto recibe un impulso.

Impulso (I) = Fuerza (F) x Intervalo de tiempo (t)

Las unidades del impulso son Newton x Segundo y tiene la misma dirección y sentido de la fuerza.

Relación entre el impulso y la cantidad de movimiento.

“Cuanto mayor es el impulso que se ejerce sobre un cuerpo, tanto mayor será el cambio en la cantidad de movimiento” F.t= D(m.V)  o  F.t =m (V2–V1)

5. Conservación de la cantidad de movimiento

En un sistema aislado, el momento total permanece constante a lo largo del tiempo; es lo que se llama conservación del momento lineal. Por ejemplo, cuando un jugador de tenis golpea una pelota, el momento lineal de la raqueta justo antes de golpear la bola más el momento de la pelota en ese instante es igual al momento de la raqueta inmediatamente después de golpear la bola más el momento de la pelota golpeada. En otro ejemplo, imaginemos a un nadador que salta desde un bote inmóvil que flota sobre el agua. Antes de saltar, el bote y el nadador no se mueven, por lo que el momento lineal total es cero. Al saltar, el nadador adquiere momento lineal hacia delante, y al mismo tiempo el bote se mueve hacia atrás con un momento igual en magnitud y dirección pero sentido contrario; el momento total del sistema formado por el nadador y el bote sigue siendo nulo.

6. Colisiones o choques.

Cuando dos cuerpos chocan, por ejemplo dos bolas de billar, pueden suceder dos casos:

  • Que la dirección del movimiento de los cuerpos no se altere por el choque, o sea, que se muevan sobre una misma recta, antes y después del choque (Choque directo o unidimensional).

  • Que los cuerpos se muevan en distintas direcciones antes y después del choque (Choque oblicuo o bidimensional).

“Cuando dos objetos  chocan en ausencia de fuerzas externas, la cantidad de movimiento total de ambos objetos, antes y después de la colisión es igual”

(p antes del choque = p después del choque)

6.1. Choques o colisiones elástica. Colisiones elásticas son aquellas en las cuales no hay intercambio de masa, los cuerpos no se quedan pegados inmediatamente después de una colisión.

Cuando dos o más objetos chocan elásticamente se presentan las siguientes características:

  • No sufren deformación permanente

  • No generan calor durante la colisión

  • Rebotan de manera perfecta

  • La energía cinética tiene el mismo valor antes y después del choque, es decir, la energía cinética del sistema se conserva.

  • Se conserva la cantidad de movimiento

  • La suma de vectores de la cantidad de movimiento es la misma antes y después del choque.

Actividad 1. ingresa a la siguiente página web (dando clic en la imagen), sigue las indicaciones y completa la tabla.

choques

choque 1

m1: masa del coche 1    V1: velocidad del coche 1 antes del choque   V´1: velocidad del coche 1 después  del choque   m2: masa del coche 2   V2: velocidad del coche 2 antes del choque  V´2: velocidad del coche 2 después  del choque

7.2. Choques o colisiones inelásticas. En un choque inelástico los cuerpos presentan deformaciones luego de su separación; esto es una consecuencia del trabajo realizado. En el caso ideal de un choque perfectamente inelástico, los objetos en colisión permanecen pegados entre sí.

Cuando dos o más objetos chocan inelásticamente se presentan las siguientes características:

  • Sufren deformación permanente

  • Generan calor durante la colisión

  • Se conserva la cantidad de movimiento

  • Los objetos quedan unidos o acoplados

  • La energía cinética antes y después del choque, es diferente.

5. MAQUINAS SIMPLES

bombero-boca-incendios

 

TIPOS DE PALANCAS

 

 

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