Conceptos Fundamentales de Masa, Peso, Energía y Trabajo en Física
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Conceptos Fundamentales de la Mecánica
Masa y Peso
La masa es una magnitud que expresa la cantidad de materia de un cuerpo, medida por la inercia de este, que determina la aceleración producida por una fuerza que actúa sobre él.
El peso es una medida de la fuerza gravitatoria que actúa sobre un objeto. El peso equivale a la fuerza con la que un campo gravitatorio local actúa sobre la masa del cuerpo, y es la fuerza que ejerce un cuerpo sobre un punto de apoyo.
- Masa: Cantidad de materia que forma un cuerpo.
- Peso: Fuerza que ejerce un cuerpo debido a la gravedad.
En la Tierra, la aceleración debida a la gravedad (*g*) es aproximadamente 9,8 m/s².
La relación entre peso (*W*), masa (*m*) y gravedad (*g*) es:
W = m × g
La unidad de medida del peso (una fuerza) es el Newton (N).
Nota: El peso de una masa de 1 kg en la Tierra es aproximadamente 9,8 N (no 9,8 J, ya que el Joule es una unidad de energía o trabajo).
Trabajo Mecánico
El trabajo mecánico puede entenderse como una magnitud física de tipo escalar, que se expresa mediante la unidad de energía conocida como Joule (J).
Es una forma de transferencia de energía de un cuerpo a otro mediante la aplicación de una fuerza, provocando un desplazamiento.
Siempre que una fuerza se aplica sobre un cuerpo y lo desplaza, realiza un trabajo mecánico que puede medirse en julios.
Se puede realizar trabajo para quitar energía a un cuerpo que se mueve aplicando una fuerza contraria a su movimiento. Es necesario que el cuerpo se desplace para que haya trabajo.
La fórmula para el trabajo mecánico (*W*) realizado por una fuerza constante (*F*) que actúa en la dirección del desplazamiento (*d*) es:
W = F × d
La unidad de medida de la fuerza es el Newton (N) y la del desplazamiento es el metro (m).
1 Joule (J) = 1 Newton (N) × 1 metro (m)
Energía
Energía Potencial (General)
La energía potencial es aquella que los cuerpos tienen almacenada en virtud de su posición o estado, y que pueden producir cambios en otros cuerpos o transformarse en otras formas de energía.
Energía Potencial Gravitatoria
La energía potencial gravitatoria (*E*pG) es la energía potencial asociada con la fuerza gravitatoria. Depende de la altura relativa de un objeto respecto a un punto de referencia, su masa y la intensidad del campo gravitatorio local.
La fórmula para la energía potencial gravitatoria es:
EpG = m × g × h
Donde:
- m es la masa del cuerpo (en kilogramos, kg).
- g es la aceleración debida a la gravedad (en metros por segundo al cuadrado, m/s²).
- h es la altura respecto al punto de referencia (en metros, m).
La unidad de medida de la energía potencial gravitatoria es el Joule (J).
Energía Cinética
La energía cinética (*E*c) de un cuerpo es aquella energía que posee debido a su movimiento.
Se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada.
Su intensidad depende del valor de la masa del cuerpo y de su velocidad.
La fórmula para la energía cinética es:
Ec = ½ × m × v²
Donde:
- m es la masa del cuerpo (en kilogramos, kg).
- v es la velocidad del cuerpo (en metros por segundo, m/s).
La unidad de medida de la energía cinética es el Joule (J).
Energía Mecánica
La energía mecánica (*E*m) de un cuerpo es la suma de su energía cinética y su energía potencial (en este contexto, gravitatoria).
La fórmula es:
Em = EpG + Ec
A medida que un cuerpo sube, disminuye su velocidad y aumenta su altura respecto de la posición inicial. Consecuentemente, disminuye la energía cinética (*E*c) y aumenta la energía potencial gravitatoria (*E*pG).
Cuando el cuerpo alcanza su altura máxima, su velocidad es cero, por lo que su energía cinética es *E*c = 0.
Teorema del Trabajo y la Energía Cinética
El trabajo total (*W*) realizado sobre un cuerpo es igual al cambio en su energía cinética (Δ*E*c).
W = ΔEc
El cambio en la energía cinética se calcula como la diferencia entre la energía cinética final y la energía cinética inicial:
ΔEc = Ec,final - Ec,inicial
Donde:
- W es el trabajo total realizado.
- Ec,final es la energía cinética al final del proceso.
- Ec,inicial es la energía cinética al inicio del proceso.