Fundamentos de Trabajo, Energía y Gravitación Universal en Física
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Trabajo Mecánico
El trabajo (W) realizado por una fuerza constante se define como el producto escalar del vector fuerza (F) por el vector desplazamiento (Δr) de su punto de aplicación. Matemáticamente, si la fuerza es constante y el movimiento es rectilíneo, es el producto del módulo de la fuerza por el módulo del desplazamiento por el coseno del ángulo (θ) que forman ambos vectores: W = F · Δr · cos(θ). En el Sistema Internacional (SI), el trabajo se mide en julios (J).
Para que exista trabajo desde el punto de vista físico, es necesario que se cumplan las siguientes condiciones:
- Que exista una fuerza aplicada sobre el cuerpo.
- Que el cuerpo experimente un desplazamiento bajo la acción de dicha fuerza.
- Que la fuerza, o al menos una componente de ella, actúe en la dirección del desplazamiento (es decir, θ ≠ 90°).
Un julio (J) se define como el trabajo realizado cuando una fuerza de un newton (N) desplaza su punto de aplicación un metro (m) en la misma dirección y sentido de la fuerza: 1 J = 1 N · 1 m.
Energía
La energía es la capacidad que posee un cuerpo o sistema para realizar un trabajo. El valor de la energía es una medida del trabajo que un sistema es capaz de desarrollar. Al igual que el trabajo, la energía se mide en julios (J) en el SI.
Conceptos Clave de Sistemas
- Un sistema es una porción delimitada del universo, real o imaginaria, que se aísla para su estudio y análisis.
- Se denomina sistema aislado a aquel que no intercambia ni materia ni energía con su entorno.
Tipos de Energía Mecánica
Energía Cinética (Ec o K)
Es la energía asociada al movimiento de los cuerpos. Un cuerpo posee energía cinética debido a su velocidad (v) y masa (m). Se calcula mediante la fórmula: Ec = ½mv2.
Energía Potencial (Ep o U)
Es la energía que un cuerpo o sistema almacena en virtud de su posición o configuración respecto a un campo de fuerzas o a otros cuerpos.
Energía Potencial Gravitatoria (Epg)
Es la energía que posee un cuerpo debido a su altura (h) dentro de un campo gravitatorio (generalmente el terrestre). Se calcula como: Epg = mgh, donde m es la masa y g es la aceleración debida a la gravedad.
Energía Potencial Elástica (Epe)
Es la energía almacenada por cuerpos elásticos (como resortes o muelles) al ser deformados (estirados o comprimidos). Se calcula como: Epe = ½kx2, donde k es la constante elástica del cuerpo y x es la deformación (elongación o compresión) desde su posición de equilibrio.
Energía Mecánica Total (Em o E)
La energía mecánica de un cuerpo o sistema es la suma de su energía cinética y todas sus formas de energía potencial (gravitatoria, elástica, etc.): Em = Ec + Ep (donde Ep puede ser la suma de Epg + Epe + ...).
Principios de Conservación
Principio de Conservación de la Energía
Este es uno de los principios más fundamentales de la física. Establece que la energía total de un sistema aislado permanece constante con el tiempo. La energía no se crea ni se destruye, solo se transforma de una forma a otra o se transfiere de un cuerpo a otro.
Principio de Conservación de la Energía Mecánica
La energía mecánica total (Em) de un sistema se conserva (permanece constante) si sobre él actúan únicamente fuerzas conservativas (como la fuerza gravitatoria o la fuerza elástica). Esto implica que el trabajo realizado por las fuerzas no conservativas (como el rozamiento o la resistencia del aire) es nulo: ΔEm = Wnc = 0. Si hay fuerzas no conservativas actuando, la variación de la energía mecánica es igual al trabajo realizado por dichas fuerzas: ΔEm = Wnc.
Potencia y Rendimiento
Potencia (P)
La potencia es la rapidez con la que se realiza un trabajo o se transfiere energía. Se define como el trabajo realizado (o energía transferida) por unidad de tiempo. En el SI, la unidad de potencia es el vatio (W), que equivale a un julio por segundo (1 W = 1 J/s).
P = W / Δt
Rendimiento (η)
El rendimiento (o eficiencia) de una máquina, dispositivo o proceso es una medida de cuán eficazmente convierte la energía suministrada en energía útil o trabajo útil. Se define como el cociente entre la energía útil obtenida y la energía total suministrada (o consumida), y suele expresarse como un porcentaje:
η = (Energía útil / Energía total consumida) × 100%
También se puede expresar en términos de potencias:
η = (Potencia útil / Potencia total consumida) × 100%
El rendimiento siempre es menor o igual al 100% (η ≤ 1).
Gravitación Universal
Ley de Gravitación Universal de Newton
Formulada por Isaac Newton, esta ley establece que dos cuerpos cualesquiera con masa (m1 y m2) se atraen mutuamente con una fuerza (Fg) que es directamente proporcional al producto de sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia (r) que separa sus centros de masa. La dirección de la fuerza es a lo largo de la línea que une los centros de los cuerpos.
Matemáticamente, el módulo de esta fuerza se expresa como: Fg = G (m1m2 / r2), donde G es la constante de gravitación universal (G ≈ 6.674 × 10-11 N·m2/kg2).
Intensidad del Campo Gravitatorio (g)
La intensidad del campo gravitatorio (g) en un punto del espacio es la fuerza gravitatoria que experimentaría una unidad de masa (masa de prueba, mp) si estuviese situada en dicho punto. Es una magnitud vectorial y se define como: g = Fg / mp.
Su módulo se mide en newtons por kilogramo (N/kg) en el SI, lo cual es dimensionalmente equivalente a metros por segundo al cuadrado (m/s2), unidades de aceleración. Cerca de la superficie de la Tierra, su valor es aproximadamente 9.8 m/s2.