Fundamentos de Trabajo Mecánico y Energía en Física

Trabajo Mecánico (W)

El trabajo mecánico (W) se relaciona con la fuerza que se aplica sobre un cuerpo y la distancia que se desplaza dicho cuerpo. En este proceso, puede haber trabajo positivo, negativo o nulo.

El trabajo mecánico ocurre al aplicar una fuerza cuando el objeto experimenta un desplazamiento en dirección a aquella fuerza, medida en Newtons (N).

Fórmula del Trabajo

W = F * D

El trabajo mecánico en Joule (J) coincide con la cantidad de energía transferida al cuerpo por la fuerza, siendo una magnitud escalar.

• Fuerza: medida en Newtons (N) (magnitud vectorial).
• Distancia: medida en metros (m) (magnitud vectorial).

Energía

La energía es aquello que permite a un sistema realizar un trabajo (W).

Tipos de Trabajo Mecánico

• W positivo: ocurre cuando la fuerza actúa en la misma dirección y sentido que el desplazamiento. W > 0 (cuando θ = 0º).
• W negativo: ocurre cuando la fuerza actúa en la misma dirección, pero en sentido contrario al desplazamiento. W < 0 (cuando θ = 180º).
• W nulo: ocurre cuando la fuerza actúa en dirección perpendicular al desplazamiento. W = 0 (cuando θ = 90º).

Sobre un objeto pueden actuar muchas fuerzas, pero no todas realizan trabajo.

Energía Cinética (Ec)

La energía cinética es proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad. Esta energía depende de la velocidad con que se mueve un cuerpo y de su masa.

Fórmula de Energía Cinética

Ec = 1/2 * M * V²

Donde: Ec = Joule (J) | Masa = kg | Velocidad = m/s

Energía Cinética de Rotación (Er)

Er = 1/2 * I * ω²

Donde: I = momento de inercia | ω = velocidad angular

Energía Potencial (Ep)

La energía potencial depende de su posición en un campo de fuerza. En este contexto, la posición se relaciona con el trabajo.

• Energía Potencial Elástica (Epe): Epe = 1/2 * K * X²
• Energía Potencial Gravitatoria (Epg): Epg = m * g * h. La Epg depende del punto de referencia.

Relación: W = m * g * h = Ep

Energía Mecánica (Em)

La energía mecánica es la suma de la energía potencial y la cinética:

Em = Ep + Ec

Em = mgh + 1/2 * mv²

Fuerzas y Conservación

Fuerza disipativa: son aquellas en las que disminuye la energía mecánica (Em); por lo tanto, esta no es constante.

Ley de la conservación de la Em: si hay variación de energía cinética (Ec), hay un trabajo (W) involucrado en el cambio de posición.

La energía gravitatoria, al ser conservativa, implica que el trabajo que realiza la Tierra sobre un objeto depende de la altura de los puntos, lo cual varía la Ec.

Puntos de Equilibrio

• Punto de equilibrio estable: todo cuerpo tiende a ir en movimiento; el cuerpo cae al mismo lugar.
• Punto inestable: el cuerpo tiende a ir hacia los dos lados.
• Punto de retorno: ocurre cuando un objeto sube y su velocidad es 0; por lo tanto, se devuelve por efecto de la gravedad.

Fuerzas Conservativas

Existen 3 fuerzas conservativas principales: energía potencial elástica, peso y gravitación.

Condiciones para la aplicación de la Ley de la Conservación de la Energía

• Deben existir Energía Potencial (Ep) y Energía Cinética (Ec).
• Deben existir fuerzas conservativas.
• Se considera la posición inicial y final sin implicar la trayectoria.
• No debe interactuar la energía mecánica con una fuerza disipativa.