Conceptos Esenciales de Trabajo, Energía y Potencia en Física

Trabajo (W)

Según la figura, un objeto experimenta un desplazamiento s a lo largo de una línea recta mientras actúa sobre él una fuerza constante, F, que forma un ángulo θ con s. El trabajo (W) realizado por un agente que ejerce una fuerza constante se define como el producto de la componente de la fuerza a lo largo de la dirección del desplazamiento por la magnitud del desplazamiento.

Fórmula del Trabajo:

W = (F cosθ)s

Ejemplo Práctico: Sostener una Silla

Al sostener una silla con el brazo extendido durante 10 minutos, según la definición física, no se realiza trabajo (W) alguno sobre la silla. Esto se debe a que si la fuerza (F) es perpendicular al desplazamiento (s) (F ⊥ s), el trabajo (W) es igual a cero.

Sin embargo, se queman calorías al sostener la silla con el brazo extendido porque los músculos se contraen y se relajan continuamente. Por lo tanto, se realiza trabajo sobre nuestro cuerpo, pero no sobre la silla.

Condiciones del Trabajo (W)

• W es positivo (+) si F(cosθ) tiene la misma dirección que el desplazamiento, s.
• W es negativo (-) si F(cosθ) tiene dirección opuesta al desplazamiento, s.
• Si F actúa (se aplica) a lo largo de la dirección del desplazamiento, entonces W = Fs.

Unidades del Trabajo

El trabajo (W) es una cantidad escalar. Sus unidades son:

• Sistema Internacional (SI): Newton-metro (Nm) = Joule (J).
• Sistema CGS: Ergio (erg) = Dina-centímetro (Dina·cm).

Equivalencia: 1 J = 107 erg

El trabajo (W) indica la cantidad de energía transferida hacia o desde un sistema, lo cual se representa por los signos positivo (+) y negativo (-).

Energía Cinética y Teorema del Trabajo y la Energía

El teorema del trabajo y la energía establece una relación fundamental entre el trabajo neto realizado sobre un objeto y su cambio en energía cinética. Una forma simplificada de esta relación es:

Fd = 1/2mv2

Donde Fd representa el trabajo realizado y 1/2mv2 es la energía cinética.

Energía Potencial Gravitatoria

Fuerza Conservativa

Una fuerza es conservativa si el trabajo que realiza sobre un objeto depende solo de las posiciones inicial y final del objeto, y no de la trayectoria seguida. Es el caso de la fuerza de gravedad:

Wg = mgyi – mgyf

Fuerza No Conservativa

Una fuerza es no conservativa si da origen a una disipación de energía, es decir, si el trabajo que realiza depende de la trayectoria. Es el caso de la fuerza de fricción (Ffricción).

Conservación de la Energía Mecánica

El teorema del trabajo y la energía establece que el trabajo neto (Wneto) es igual al cambio en la energía cinética (Kf – Ki). Si la única fuerza que realiza trabajo sobre el sistema es conservativa, entonces el trabajo neto también puede expresarse como el cambio negativo en la energía potencial (Ui – Uf).

Igualando estas expresiones, se obtiene:

Wneto = Kf – Ki

Wneto = Ui – Uf

Por lo tanto:

Ui – Uf = Kf – Ki

Reorganizando los términos, llegamos al principio de conservación de la energía mecánica:

Ki + Ui = Kf + Uf

Principio de Conservación de la Energía Mecánica

«Si únicamente se encuentran actuando fuerzas conservativas, la energía mecánica total de un sistema no aumenta ni disminuye en cualquier proceso. Permanece constante (se conserva).»

Potencia

La potencia se define como la rapidez de transferencia de energía.