Trabajo y energía: conceptos, leyes y ecuaciones fundamentales en física

Trabajo

Trabajo: Se dice que una fuerza realiza un trabajo cuando hay un desplazamiento del centro de masas del cuerpo sobre el que se aplica la fuerza, en la dirección de dicha fuerza. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo.

El trabajo es independiente del sistema de coordenadas elegido; depende solo de la fuerza ejercida sobre un cuerpo y de su desplazamiento, no del tiempo que tarda en realizarlo. Es positivo entre 0° y 90° y es negativo entre 90° y 180°.

Casos en los que el trabajo es nulo

• Cuando la fuerza total que actúa sobre un cuerpo es nula.
• Cuando no hay desplazamiento.
• Cuando la fuerza y el desplazamiento son perpendiculares.

Energía

Energía: La energía es la capacidad de los cuerpos para realizar un trabajo y producir cambios en ellos mismos o en otros cuerpos. La energía total de un sistema, presente en sus diferentes formas, no cambia: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma.

Energía cinética y energía potencial

Energía cinética: La energía cinética de un cuerpo es la que posee cuando está en movimiento.

Energía potencial: La energía potencial es la que posee un cuerpo cuando se encuentra a una determinada altura o en una posición respecto a una referencia.

Teorema de la energía cinética

Teorema de la energía cinética: El trabajo total realizado sobre un cuerpo se invierte en modificar su energía cinética.

Fuerzas conservativas y no conservativas

Una fuerza se dice que es conservativa si es capaz de generar energía potencial. El trabajo realizado por las fuerzas no conservativas se invierte en variar la energía mecánica del cuerpo.

Energía potencial elástica

Energía potencial elástica: Es, por ejemplo, la energía de un muelle cuando tiene un alargamiento x.

Conservación de la energía mecánica

Conservación de la energía mecánica: La energía mecánica es la suma de la energía cinética y la energía potencial que posee un cuerpo.

Conservación de la energía

Conservación de la energía:

• Energía interna: Se debe a la energía cinética y potencial de los constituyentes de un cuerpo macroscópico.
• Energía química: Es la contenida en los enlaces de las moléculas.

Movimiento armónico simple (MAS)

MAS: Es el tipo de movimiento que tienen los cuerpos que se mueven por acción de una fuerza restauradora que es directamente proporcional a la distancia que separa el cuerpo de su posición de equilibrio y se opone al sentido de su movimiento (por ejemplo, péndulo, muelle). Un oscilador armónico es cualquier sistema que realice un movimiento armónico simple.

Ecuaciones y relaciones

Algunas ecuaciones y relaciones fundamentales mencionadas:

W = F d cos θ
E_c = 1/2 m v^2
E_p = m g h
W =     E_c =     E_p
W_r =     E_m

(Se han conservado las relaciones tal como aparecen en el texto original; las primeras tres expresan respectivamente el trabajo por una fuerza constante, la energía cinética y la energía potencial gravitatoria.)