TRABAJO Y ENERGÍA

Indicador de logro: Reconoce e interpreta el concepto de trabajo y energía.

Competencia: Reconozco e interpreto el concepto de trabajo y energía.

Palabras claves: trabajo, energía,  fuerza, movimiento, potencia, palanca.

Pregunta generadora:

¿Por qué es importante reconocer el concepto de trabajo y energía?

Situación de aprendizaje:

La energía es el motor que mueve el mundo. En cualquier cambio que se produce en la naturaleza tiene lugar un intercambio o transformación de energía. El trabajo es una forma de intercambio de energía.


El Trabajo se relaciona con la fuerza  ejercida sobre un cuerpo y con el desplazamiento producido por la fuerza. Si la dirección de la fuerza es igual a la dirección del desplazamiento, la fuerza  que se realiza es un trabajo mecánico; en este caso, el trabajo se calcula como el producto de la fuerza por el desplazamiento, es decir:

Trabajo = fuerza x desplazamiento

Por convención internacional, la unidad para expresar el trabajo es el JULIO, el cual se representa con la letra J.

Como recordarás, una fuerza de 1kg-f equivale a una fuerza de 9,8 N. Por ejemplo, cuando sostenemos en la mano 1 kilogramo de harina, ejercemos una fuerza de 1 kg-f, lo que equivale aproximadamente 9,8 N, Si subimos el kilogramo de harina a una altura de 1 metro y ejercemos sobre él una fuerza de 9,8 N, el trabajo que realizamos es:


Trabajo = Fuerza x Desplazamiento

Trabajo = 9,8 N x 1m = 9,8 J

No todas las fuerzas realizan trabajo. Por ejemplo, el peso actúa sobre los objetos; sin embargo,cuando desplazamos un objeto en dirección horizontal, el peso no interviene en dicho desplazamiento y por lo tanto no realiza trabajo.

Es posible que sobre un objeto se ejerza una fuerza sin que se desplace. En esta situación, el trabajo realizado por la fuerza es igual a cero.


La potencia es la rapidez con la cual se realiza un trabajo. Para calcular la potencia, dividimos  el trabajo realizado entre el tiempo empleado en realizarlo, lo cual se expresa así:


Potencia = trabajo realizado / tiempo empleado


La potencia se expresa en en vatios (W), otras unidades de potencia son el kilovatio (KW). 1 kw = 1.000 w y el caballo de potencia (HP). 1HP = 746 w.

Veamos un ejemplo: Si un objeto se sube hasta cierta altura en 3 segundos, realizando un trabajo de 30 J, y en otro momento, ejerciendo la misma fuerza, el objeto se levanta hasta una altura igual en 2 segundos, la fuerza aplicada en ambos casos es la misma y la distancia es igual, por tanto, en los dos casos se realiza el mismo trabajo, que es igual a 30 J.

Como el trabajo realizado es 30 J y el tiempo empleado en el primer caso es 3 segundos, la potencia desarrollada es



Potencia = 30 J / 3 s = 10 W

Mientras que en el segundo caso, como el trabajo realizado es 30 J y el tiempo empleado es 2 segundos, la potencia desarrollada es 


Potencia = 30 J / 2 s = 15 W

Observamos que la potencia desarrollada  es mayor cuando se realiza el mismo trabajo en menos tiempo.


La energía es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo. Esa capacidad se va consumiendo a medida que se realiza el trabajo, por ejemplo: si un cuerpo realiza un trabajo de 1.000 J, podemos afirmar que su energía ha disminuido en 1.000 (si no hay rozamiento). La energía, por tanto, se mide en las mismas unidades que el trabajo, es decir, en  julios.

En la naturaleza hay diversos eventos en los que se manifiesta la energía de diferentes formas: movimiento, electricidad, magnetismo, sonido, luz, calor y energía química, entre otras. 

Veamos algunos ejemplos:

1. El movimiento de las olas del mar se produce por la acción de corrientes de aire o de agua.

2. La caída de un cuerpo se produce por la acción que ejerce la tierra sobre él.

3. Cuando el motor de un carro se pone en marcha, las reacciones químicas que ocurren  con el combustible al quemarse en el interior del motor, generan fuerzas que modifican el estado del motor y producen movimiento. Estas reacciones químicas se suceden debido a la energía que se le asocia al combustible. Es decir que, en último término, las fuerzas que hacen funcionar el motor provienen de la energía asociada al combustible. En síntesis, podemos decir que la energía se relaciona estrechamente con el trabajo y que se manifiesta  cuando se transfiere de unos sistemas a otros o cuando se transforma.

LAS PALANCAS

Entre los ingenios mecánicos que ayudaban a la fuerza del hombre, la palanca es el más importante invento como máquina. Su origen no se conoce con exactitud y la ley de la palanca no fue enunciada hasta los tiempos de Arquímedes. Incluso el hombre primitivo tuvo que darse cuenta que los objetos pesados podían moverse metiendo un tronco debajo, apoyando este en algún fulcro situado relativamente cerca del objeto y tirando del extremo libre del tronco.

Los egipcios utilizaron herramientas que de acuerdo con el desarrollo moderno podrían considerarse herramientas sencillas tales como el cincel de cobre o bronce, que es un tipo de palanca utilizado para moldear la roca formando bloques gigantes que podrían pesar más de 350 toneladas y siendo halados sobre rodillos de madera desde la cantera hasta el lugar de construcción; tales rodillos podían ser reemplazados por trineos de madera para arrastrar estos grandes bloques de piedra.

El cigoñal creado por el hombre egipcio podía llegar a levantar 

2.500 litros de agua al día para regar sus sembradíos.

La palanca es un sistema de transmisión lineal que consiste en una barra rígida que gira en torno a un punto de apoyo o articulación. en un punto de la barra se aplica una fuerza F (también llamada potencia) con el fin de vencer una resistencia R.

Podemos encontrar palancas allá donde miremos y siempre han estado entre nosotros desde que el ser humano tiene conciencia. Así, un simple palillo de dientes se puede considerar una palanca, al igual que una cuchara. En principio, el objetivo de la palanca es el de reducir el esfuerzo que una persona o máquina debe hacer para cumplir con un objetivo, aunque no todas las palancas nos ayudan a reducir tal esfuerzo.

Basándonos en la definición de palanca, podemos distinguir los siguientes elementos en la misma:

•   Potencia (F): o fuerza que aplicamos en un punto de la palanca para obtener un resultado. La fuerza la podemos aplicar manualmente con nuestra propia fuerza, o través de un motor o cualquier otro mecanismo.

•   Resistencia (R): fuerza que tenemos que vencer; es la que hace la palanca como consecuencia de haber aplicado nosotros la potencia.

•   Brazo de potencia (BP), distancia entre el punto en el que aplicamos la potencia y el punto de apoyo.

•   Brazo de resistencia; Br: distancia entre la fuerza de resistencia y el punto de apoyo.

En el siguiente ejemplo, podemos observar una carretilla que, en realidad es una palanca. Allá donde actúa la persona que lleva la carretilla se aplica la fuerza o potencia (F), la carga que lleve la carretilla será la resistencia (R). Teniendo en cuenta que el punto de apoyo (O) se sitúa en el centro de la rueda, podemos concluir que el brazo de la potencia (BP) es la distancia de F a O, esto es, 1.6 m mientras que el brazo de la resistencia (BR) es la distancia de R a O, esto es, 0.4 m.

Según la posición que ocupe la fuerza, la resistencia y el punto de apoyo en la palanca, existen tres tipos de palanca.

Palanca de primer grado. Es aquella en la que el punto de apoyo se encuentra entre la potencia y la resistencia. Si el punto de apoyo se encuentra más cerca de la resistencia que del punto donde se aplica la fuerza, podemos vencer grandes resistencias aplicando pequeños esfuerzos. Es nuestra idea intuitiva de palanca, algo que nos ayuda a mover una carga pesada. Como ejemplos clásicos podemos citar la pata de cabra, las tijeras,  la tenaza, la catapulta, el balancín, los alicates o la balanza romana.

Esquema de la palanca de primer grado

Ejemplos de instrumentos con palancas de primer grado.

Palanca de segundo grado: Se obtiene cuando colocamos la resistencia entre la potencia y el punto de apoyo. Según esto el brazo de resistencia siempre será menor que el de potencia, por lo que el esfuerzo (potencia) será menor que la carga (resistencia) a vencer. Como ejemplos se puede citar el cascanueces, el destapador de botellas, el remo, la carretilla o la perforadora de hojas de papel.

Esquema de la palanca de segundo grado

                                    El cascanueces es un ejemplo de palanca de segundo grado.

Palanca de tercer grado: Se obtiene cuando ejercemos la potencia entre el punto de apoyo y la resistencia. Esto trae consigo que el brazo de resistencia siempre sea mayor que el de potencia, por lo que el esfuerzo siempre será mayor que la carga (caso contrario al caso de la palanca de segundo grado). Ejemplos típicos de este tipo de palanca son las pinzas de depilar, las quita grapasel martillo y la caña de pescar. Este tipo de palanca es ideal para situaciones de precisión, donde la fuerza aplicada es mayor que la resistencia a vencer.

Esquema de la palanca de tercer grado.

                               Una pinzas para depilar son un buen ejemplo de palanca de tercer grado

La ley de la palanca dice: Una palanca está en equilibrio cuando el producto de la fuerza F, por su distancia BP, al punto de apoyo es igual al producto de la resistencia R por su distancia BR, al punto de apoyo.

F·BP = R·BR

Esta fórmula nos dice una gran verdad: cuanto mayor sea la distancia de la fuerza aplicada al punto de apoyo (brazo de potencia), menor será el esfuerzo a realizar para vencer una determinada resistencia”. (BP↑ F↓)

Resolvamos un ejemplo de ejercicio de palanca con la carretilla anterior. Supongamos que queremos cargar 80 kg de arena con la carretilla. Teniendo en cuenta que el valor del brazo de potencia es de 1,6 metros y el del brazo de la resistencia es 0,4 metros, podemos considerar:

•   BP = 1,6 m

•   BR= 0,4 m

•   R= 80 kgf,  

kgf significa kilogramo-fuerza. Un kilogramo-fuerza es la fuerza necesaria para sostener un objeto de masa un kilogramo.

Sustituyendo

F · BP = R · BR

F · 1,6 = 80 · 0,4

F · 1,6 = 32  —-> F = 20 kgf

Conclusión: Para cargar con la carretilla 80 kg de arena, la persona tan solo debe ejercer una fuerza de 20 kgf.

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Bibliografia

* Santillana ISBn958-24-1084-1. CarrilloEsteban
* https://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com.