Trabajo y Energía
En el lenguaje ordinario, trabajo y energía tienen un significado distinto al que tienen en física.
Por ejemplo una persona sostiene una maleta; lo que estamos realizando es un esfuerzo (esfuerzo muscular, que produce un cansancio), que es distinto del concepto de trabajo.
Trabajo: decimos que realizamos un trabajo cuando la fuerza que aplicamos produce un desplazamiento en la dirección de esta
Es decir mientras la maleta este suspendida de la mano (inmóvil) no estamos realizando ningún trabajo.
Energía: Capacidad que tienen los cuerpos para producir transformaciones, como por ejemplo un trabajo.
Por ejemplo, cuando uno esta cansado, decimos que ha perdido energía, y cuando esta descansado y fuerte, decimos que esta lleno de energía.
Si un coche se queda sin combustible, posiblemente pienses que carece de energia, que no es del todo cierto, ya que puede rodar cuesta abajo.
El Trabajo y la Energía son magnitudes escalares, es decir, no tienen dirección ni sentido
La energía es la capacidad de un objeto de transformar el mundo que le rodea. Su unidades el Julio.
Los cuerpos por el hecho de moverse tienen la capacidad de transformar su entorno. Pensemos que al movernos somos capaces de transportar objetos, de chocar, de romper.... Realiza la siguiente simulación:
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APRENDE :llamamos energía cinética a la energía que posee un cuerpo por el hecho de moverse. La energía cinética de un cuerpo depende de su masa y de su velocidad según la relación:
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APRENDE::la velocidad de un cuerpo proporciona una capacidad al móvil de transformar el medio que le rodea. Esta capacidad es su energía cinética que depende del cuadrado de la velocidad y de la masa.
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La energía: energía potencial
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El hecho de estar bajo la influencia del campo gravitatorio proporciona a los objetos la capacidad de caer. Recordemos el aprovechamiento de los saltos de agua en la generación de energía eléctrica.
A través de la siguiente escena descubriremos la Energía potencial gravitatoria y la forma de calcularla:
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APRENDE: La energía potencial gravitatoria es debida la capacidad que tienen los objetos de caer. Tiene su origen en la existencia del campo gravitatorio terrestre. Su magnitud es directamente proporcional a la altura en la que se encuentra el objeto, respecto de un origen que colocamos a nivel de la superficie terrestre, y a la masa del objeto. Su expresión matemática es:
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2-Trabajo hecho por una fuerza constante
¿Qué entiende por trabajo la física?
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Entendemos por trabajar a cualquier acción que supone un esfuerzo. En Física el concepto de trabajo se aplica exclusivamente a aquellas acciones cuyo efecto inmediato es un movimiento. La siguiente escena nos ayudará a precisarlo un poco más.
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APRENDE: Trabajo es la magnitud física que relaciona una fuerza con el desplazamiento que origina.
En el Sistema Internacional de Unidades se mide en Julios (N · m). Su expresión matemática es:
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En la definición de trabajo cabe destacar dos factores:
1-Sin desplazamiento no hay trabajo
Cuando sostenemos una maleta en la mano, no existe trabajo porque no hay desplazamiento
2-El desplazamiento ha de producirse en la dirección de la fuerza. Todo desplazamiento perpendicular a la dirección de la fuerza no implica realización de trabajo.
Podemos definir matemáticamente el trabajo como el producto de la Fuerza aplicada por el desplazamiento efectuado, si la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección:
Trabajo = Fuerza x Desplazamiento
W =F.∆x
Hay que destacar que F (Fuerza), es la fuerza neta, es decir la resultante que actúa sobre el cuerpo, y que en este caso, es una fuerza constante.
Cuando la trayectoria es rectilínea, el desplazamiento coincide con el espacio recorrido y por lo tanto se puede decir que:
Trabajo = Fuerza x espacio
Solamente hace trabajo la componente de la fuerza que coincide con la dirección de desplazamiento. Véase el dibujo:
Si la dirección de la fuerza para mover el baúl forma un cierto ángulo con la dirección del desplazamiento, solo se aprovecha la componente de la fuerza que coincide con la dirección del desplazamiento.
En el sistema internacional SI, la unidad utilizada para medir al trabajo es el Julio (J), que es definido como el trabajo hecho al aplicar una fuerza de 1 Newton, para producir un desplazamiento de 1 metro en la misma dirección de la fuerza.
1 Julio= 1 Newton x 1 metro; 1J=1N*1m
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3- Concepto de Potencia
Si subimos lentamente unas escaleras y después lo hacemos rápidamente, el trabajo realizado es el mismo en ambos casos, pero nuestra potencia es mayor en el segundo caso, porque realizamos el trabajo más rápidamente.
Para expresar la rapidez con que hacemos un trabajo, se utiliza el concepto de potencia.
Una máquina es más potente que otra, si es capaz de realizar el mismo trabajo en menos tiempo. La relación entre potencia, trabajo y tiempo invertido se puede expresar de la manera siguiente:
La unidad de la potencia en el Sistema Internacional (SI) es el Vatio (W), que se define como la potencia necesaria para hacer un trabajo de un julio en un segundo:
3.1 Potencia y rendimiento
| 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.
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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
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Supongamos que un motor tiene una potencia Teórica de 1,4 Kw.
Independientemente de ello, el motor invierte 15 segundos en elevar un bloque de 100 Kg. hasta una altura de 16 metros.
Vamos a calcular la potencia real:
Para ello primero calcularemos el trabajo realizado:
W =F.∆x
W = 100 Kg * 9’8 m/s2 * 16 m =15680 J
La potencia será:
Como podemos comprobar, en la practica la potencia Teórica y la Real no coinciden (la real es menor), y esto es debido al rozamiento, vibraciones, y calentamiento que sufren los componentes.
Para medir esta perdida de potencia, se define el rendimiento de una máquina como sigue:
En el ejemplo anterior, el rendimiento del motor seria el siguiente:
3.2 Otras Unidades de trabajo y potencia
Unidad de Trabajo:
Se usa muy a menudo como unidad de trabajo el Kilowatio por hora (Kw.h) que se define como el trabajo hecho por una maquina de 1 Kw de potencia durante una hora
Un kilovatio por hora equivale a tres millones seiscientos mil Julios.
Como unidad de trabajo se suele emplear también el electronvoltio (eV) que equivale a 
(Es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio)
(Es la energía que adquiere un electrón al ser acelerado con una diferencia de potencial de 1 voltio)Unidad de Potencia
James Watt (1736-1819), ingeniero escocés que invento la maquina de vapor, define también como unidad de potencia el caballo de vapor (CV).
Un Caballo de Vapor podía reemplazar al trabajo que realizaba un caballo en la mina sacando agua (las bombas que extraían el agua de las minas eran accionadas por caballos).
Un caballo de Vapor equivale a 736 Watios.
4-Energía Mecánica
Como ya hemos visto, un cuerpo tiene energía, cuando tiene capacidad para llevar a término un trabajo.
El trabajo es la manera de expresar la cantidad de energía que ha pasado de una forma a otra forma o de un lugar a otro.
La Energía Mecánica, 
, suele estar asociada , la mayoría de las veces, con maquinas y movimientos. Esta forma de energía se estudia bajo dos aspectos: energía cinética y energía potencial.
, suele estar asociada , la mayoría de las veces, con maquinas y movimientos. Esta forma de energía se estudia bajo dos aspectos: energía cinética y energía potencial.4.1 Energía Cinética
Supongamos que aplicamos una fuerza a un cuerpo de masa m que esta en reposo, el cuerpo se acelera, gana velocidad y recorre una cierta distancia, se hace un trabajo sobre este, el cual se manifiesta en forma de Energía Cinética 
. Si la fuerza continua actuando sobre el cuerpo, se hace también sobre este un trabajo, que se transforma también en energía cinética.
. Si la fuerza continua actuando sobre el cuerpo, se hace también sobre este un trabajo, que se transforma también en energía cinética.Calculo de Energía Cinética
Imagina que a un cuerpo en reposo 
le aplicamos una fuerza F, durante un tiempo, t; el cuerpo se desplaza una distancia, s. Sabemos que:
le aplicamos una fuerza F, durante un tiempo, t; el cuerpo se desplaza una distancia, s. Sabemos que:
Fuerza aplicada = masa x aceleración
Como 
Atendiendo que el movimiento es rectilíneo, el desplazamiento coincide con el espacio recorrido:
Como que
Trabajo hecho = Fuerza x desplazamiento
Resulta que:
Decimos que el trabajo llevado a término sobre cuerpo se ha trasformado en energía cinética.
La Energía Cinética se define como la capacidad para efectuar un trabajo por medio del movimiento y de pende de la masa del cuerpo m y de su velocidad, v:
La energía Cinética se expresa en unidad de trabajo (J) Julios
Relación entre Trabajo y Variación de Energía Cinética
Al aplicar un trabajo sobre un cuerpo que esta en movimiento, este aumenta de velocidad. Podemos entonces deducir que:
La variación de la energía cinética es igual al trabajo hecho por la resultante de todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo:
Trabajo = variación de la energía cinética
4.2 Energía Potencial
Todos los sistemas almacenan energía que pueden utilizar en cualquier momento para hacer un trabajo.
Según el dibujo anterior, el chico tiene energía a causa de su posición, al caer, esta energía se transforma en el trabajo necesario para levantar a la chica. Esta energía se denomina energía potencial 
.
.
La energía potencial es la que tiene un cuerpo en virtud de la posición que ocupa, que será distinta a la del equilibrio.
Energía Potencial Gravitatoria
El trabajo hecho para elevar un cuerpo hasta una cierta altura se puede calcular de la manera siguiente:
Trabajo = Fuerza (peso del cuero) x Desplazamiento
Por tanto, la energía potencial de un cuerpo de masa m, situado a una altura h sobre un nivel de referencia determinado, se denomina energía potencial gravitatoria.
La energía potencial gravitatoria equivale al trabajo que se hace para elevar un cuerpo hasta una altura determinada (h).
No se puede hablar del valor absoluto de la energía potencial gravitatoria que tiene un cuerpo situado a una altura determinada, sino únicamente de diferencias de energia potencial. De manera convencional, y para evitar este inconveniente, se considera superficie terrestre (h = 0) como el nivel cero de energía potencial.
La energía potencial gravitatoria es proporcional a la masa (m) de un cuerpo cuando este ocupa una posición (h): nada más se modifica al variar la altura.
En un desplazamiento horizontal, la energía potencial no cambia, es decir, en un desplazamiento de este tipo, el trabajo llega a termino porque la fuerza peso es nula.
Energía Potencial Elástica
Como ya sabemos, cuando comprimimos o estriamos un muelle, estamos aplicándole una fuerza F, y se produce un desplazamiento x.
Tenemos una masa, m, unida a un resorte de constante elástica, k , y tomamos como origen de coordenada x, la posición de la masa m, en la que el resorte tiene la longitud normal (sin comprimir o alargar). Estiramos el muelle lentamente en sentido horizontal hasta la posición x.
Los resultados obtenidos se recogen en la grafica siguiente:
Fuerza (N)
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Alargamiento (m)
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1
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2
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2.
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3
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3.
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4
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4.
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5
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5.
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Observa que la fuerza elástica F= k.x, no es constante, y por consiguiente, no podemos establecer el trabajo hecho por esta fuerza de la misma manera que determinamos el trabajo ejecutado por la fuerza peso, sino que hemos de calcularlo gráficamente.
El trabajo hecho por la fuerza F no se ha trasformado en energía cinética ni en energía potencial gravitatoria, tampoco hemos tenido en cuenta el rozamiento. El único efecto de esta fuerza responsable del trabajo ha sido aumentar la energía potencial elástica.
La Energía Potencial Elástica es la que tiene un cuerpo elástico (un muelle, una goma…) a causa de su estado de tensión.
La energía potencial elástica es el área comprendida debajo de la línea de la representación grafica de F en función de x:
Para todas las deformaciones que cumplan la ley de Hooke, la energía potencial elástica almacenada en el cuerpo deformado es proporcional al cuadrado de la deformación.
5- La energía mecánica se transforma y se conserva.
La Energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial. Veremos a continuación como se transforma la energía mecánica.
Experimento:
Coge un bol o una taza muy pulida y deja caer una bola una bola de acero desde uno de los bordes.
La bola llega hasta el fondo del bol, transformando la energía potencial que tenia en el borde del recipiente en energía cinética; a continuación la bola vuelve a subir hasta el borde opuesto, recuperando así su energía potencial.
Experimento:
Con un cordón y una bola, construye un péndulo como el de la figura.
1-Fija el cordón por su extremo A y hazlo oscilar entre los puntos B y C
2-Pon un clavo en la posición D, de manera que el péndulo, abandonado de nuevo en B no pueda llegar al punto C; el cordón detenido por D hace que la masa del péndulo se eleve hasta la posición E, que se encuentra en la línea horizontal BC.
3-En el movimiento de retorno, llega al punto B
En este ejemplo el péndulo asciende en sus oscilaciones hasta llegar a la misma altura, aunque se ponga un obstáculo en el recorrido del cordón, y la energía potencial se transforma en energía cinética, y esta otra vez en energía potencial. La energía cinética en el punto D se transforma en potencial la subir la bola hasta el punto E.
5.1 Principio de conservación de la energía mecánica
Un niño que esta en la parte superior de un tobogán, situado a una altura h, de 2 metros sobre el suelo, tiene energía potencial:
donde m es la masa m de niño (25 Kgr)
Cuando el niño llega al suelo, toda su energía potencial se ha transformado en energía cinética; y por lo tanto:
A lo largo del recorrido, la energía potencial se va transformando en energía cinética, es decir, la energía potencial del niño va disminuyendo al mismo tiempo que aumenta la energía cinética, pero la suma de ambas será siempre 490 J.
Cuando el niño esta a la mitad del tobogán, tiene energía cinética y energía potencial y su suma sigue siendo 490 J:
Por lo tanto, la energía cinética será:
Podemos generalizar el ejemplo anterior de la siguiente manera:
La suma de la energía cinética y potencial se mantiene siempre constante en cualquier punto:
esta es la expresión matemática del principio o ley de conservación de la energía mecánica
Si no tuviéramos en cuenta el rozamiento, podríamos calcular la velocidad con que el niño llega al final del tobogán a partir de la expresión de la energía cinética:
6-La energía total se transforma y se conserva
En los experimentos anteriores (Taza-Bola y Péndulo), la transformación de la energía cinética en potencial se repite pocas veces: finalmente, la bola es queda parada en el fondo del bol y el péndulo acaba parándose.
En estos experimentos interviene una fuerza que no hemos tenido en cuenta, la fuerza de rozamiento. Recuerda que el trabajo de la fuerza de rozamiento siempre es negativa. Así, si hay fuerzas de rozamiento, la energía mecánica disminuirá, y el trabajo de las fuerzas de rozamiento será igual a la variación de la energía mecánica del sistema.
Observa las transformaciones de energía que tienen lugar en la pelota
La pelota se para por la acción de las fuerzas de rozamiento. Ahora bien, se ha perdido energía? La respuesta es negativa; se ha perdido capacidad de hacer trabajo, pero no energía, ya que esta se ha disipado al medio en forma de calor. Esta es otra manera de transferencia de energía entre los cuerpos.
El principio de conservación de energía podemos enunciarlo de la siguiente manera:
La energía ni se crea ni se destruye, solo se transforma; es decir, en todos los procesos hay intercambio de energía pero la energía total se mantiene constante.
La energía puede transformarse de una formas en otras, no obstante, siempre se mantiene constante, como vemos en el ejemplo siguiente:
En todos estos casos, la energía inicial es transformada en otro tipo de energía.
- ¿Sabes qué es el trabajo desde el punto de vista científico y qué fuerzas son las que pueden realizar trabajo y cuáles no?
- ¿Conoces el papel que desempeña la fuerza de rozamiento cuando se realiza un trabajo?
- ¿Sabes utilizar el concepto de energía y el principio de su conservación?
- ¿Conoces qué relación existe entre el trabajo y la energía?
- ¿Entiendes el significado del término potencia?
EJERCICIOS
1.-Puedes ponerte a prueba realizando esta primera: EVALUACIÓN
2.-Contesta esta evaluación:
(Recuerda: Sólo hay una respuesta correcta)
1. El producto de la fuerza por el desplazamiento que le produce al ser aplicada a un cuerpo se denomina:
0. Potencia
0- Peso
0- Trabajo
0- Energía
2. Indica cuál es la unidad de trabajo del Sistema Internacional:
0.- Kilovatio·hora (kw·h)
0.- Kilopondímetro
0.- Ergio
0- Julio
3. Indica en cuál de los siguientes casos no es nulo el trabajo:
o Si no hay fuerza
o Si no se produce desplazamiento
o Si la fuerza tiene sentido contrario al desplazamiento
o Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento
4. La capacidad para realizar trabajo se denomina:
o Rendimiento
o Energía
o Potencia
o Potencial
5. La energía que posee un cuerpo debida a su movimiento se denomina:
o Energía cinética
o Energía potencial
o Cantidad de movimiento
o Energía mecánica
6. La energía que posee un cuerpo debida a su posición se denomina:
o Energía cinética
o Energía potencial
o Energía estática
o Energía mecánica
7. La energía mecánica de un cuerpo es:
o La suma de sus energías cinética y potencial
o La energía que pierde debido a los rozamientos
o La diferencia entre su energía y la que pierde
o La diferencia entre su potencia y la fuerza
8. El principio de conservación de la energía dice:
o La energía cinética de un cuerpo es siempre constante
o La energía de un cuerpo no se puede transformar de unas formas de energía a otras,
siempre se conserva
o La energía potencial de un cuerpo que sube o baja es en todo instante la misma
o La energía ni se crea ni se destruye, solamente se transforma de unas formas de energía a
otras
9. Indica cuál es una unidad de energía:
o Vatio
o Voltio
o Kilovatio·hora
o Caballo de vapor
10. La unidad de energía del Sistema Internacional es el:
o Vatio
o Julio
o Ergio
o Caballo de vapor
11. La expresión que permite calcular la energía cinética de un cuerpo es:
o W/t
o F·d
o m·g·h 2
o 1⁄2·m·v
12. El cociente entre el trabajo y el tiempo empleado en realizarlo se denomina:
o Potencia
o Peso
o Trabajo
o Energía
13. Indica cuál no es una unidad de potencia:
o kilovatio·hora
o Caballo de vapor
o Ergio/segundo
o Kilopondímetro/segundo
14. La unidad de potencia del Sistema Internacional es el:
o Julio
o Vatio
o Ergio/segundo
o Kilovatio·hora
15. Dos personas de igual peso suben al 5o piso de un edificio, la primera lo hace por la escalera interior y la segunda por la escalera de incendios (que es mucho más empinada) tardando menos tiempo en subir que la primera. Indica cuál de las siguientes afirmaciones es cierta:
o La segunda realiza mayor trabajo y desarrolla mayor potencia
o La segunda realiza mayor trabajo pero ambas desarrollan igual potencia
o Ambas realizan el mismo trabajo pero la segunda desarrolla mayor potencia
o Ambas realizan el mismo trabjo y desarrollan igual potencia
16. Una fuerza de 10 N actúa sobre un cuerpo desplazándolo 5 m. ¿Qué trabajo realiza la fuerza?
o2J o 50J o 25J o 0'5J
17. Al ejercerse una fuerza de 5 N actúa sobre un cuerpo se realiza un trabajo de 20 J. ¿Qué desplazamiento experimenta el cuerpo?
o 400cm
o 100cm
o 0'25m
o 100m
18. Un cuerpo es desplazado una distancia de 10 m bajo la acción de una fuerza, realizando un trabajo de 5 J. ¿Cuál es el valor de la fuerza?
o 5Kp
o 0'5N
o2J
o 50N
19. Calcula el valor de la energía cinética de un objeto de 10 kg de masa cuando lleva una velocidad de 2 m/s:
o 40J
o 196J
o 20J
o 10J
20. Una fuerza realiza un trabajo de 100 J al trasladar un cuerpo durante 5 segundos. Calcula la potencia ejercida por dicha fuerza:
o 500w
o 20w
o 0'05w
o 10w
21. Al levantar un objeto hasta una altura de 2 m un hombre realiza una fuerza de 10 N empleando en ello 5 segundos. Calcula la potencia desarrollada por el hombre:
o 100w
o 1w
o 25w
o 4w
22. ¿Cuánto tiempo tarda un motor de 100 w de potencia en realizar un trabajo de 1000 J?
o 10s
o 0'1s
o 100000 s
o 900s
23. ¿Qué cantidad de energía consume un motor de 100 w en un minuto?
o 100J
o 0'01J
o 0'6J
o 6000J
24. Calcula el valor de la energía potencial de un objeto de 2 kg de masa cuando se encuentra a una altura de 5 m:
o 49J
o 980J
o 98J
o 490J
25. Las máquinas nos permiten realizar un determinado trabajo empleando una fuerza menor, pero a costa de realizar un desplazamiento:
o Menor
o Igual
o Mayor
o Nulo
26. De las máquinas que se citan, ¿cuál no es una máquina simple?
o La máquina de vapor
o La polea
o El torno
o La palanca
27. La energía que nos proporciona la fuerza impulsora del viento es la:
0 Energía hidráulica
0 Energía térmica
0 Energía nuclear
0 Energía eólica
3.-Esta es la hoja de ejercicios para repasar para el examen .
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