Profesor: Enrique Caro Gómez

CURSO VIRTUAL DE TERMODINÁMICA

TUTOR: LUIS ENRIQUE CARO GÓMEZ

“Cinco Dimensiones Personalizantes hacia una Mejor Calidad de vida” 1

HERRAMIENTA DE APOYO PEDAGÓGICOY TRABAJO AUTÓNOMO

Desempeño: Analizar las leyes

que rigen la naturaleza y sus

aplicaciones en la vida cotidiana de

las personas.

Profesor: Enrique Caro Gómez

CAPITULO No.2

El uso de la magnitud energía en términos prácticos se justifica porque es mucho más fácil trabajar con magnitudes escalares, como lo es la energía, que con magnitudes vectoriales, como la velocidad y la posición. Así, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial y de otros tipos de

“Cinco Dimensiones Personalizantes hacia una Mejor Calidad de vida” 2

TRABAJO Y ENERGÍA

Desempeño: Analizar las leyes

que rigen la naturaleza y sus

aplicaciones en la vida cotidiana de

las personas.

¿Sabias que …

...el hombre ha tenido siempre la preocupación por describir y explicar el comportamiento de las cosas que observa en su mundo. Este conjunto de explicaciones las llamamos teorías físicas. Así se conocen las concepciones de Aristóteles, Galileo, Newton, Einstein entre otros. Igualmente hablamos de las teorías en tal o cual época. Es decir la Física es el resultado de la construcción de la mente del hombre en interacción con la realidad y como tal, es cambiante y progresiva.

La energía es uno de los conceptos más importantes en todas las áreas de la física y en otras ciencias. La energía es una cantidad que se conserva, de ahí su importancia. La energía: puede definirse en la forma tradicional, aunque no universalmente correcta como "la capacidad de efectuar trabajo". Esta sencilla definición no es muy precisa ni válida para todos los tipos de energía, como la asociada al calor, pero sí es correcta para la energía mecánica, que a continuación describiremos y que servirá para entender la estrecha relación entre trabajo y energía.

La energía es una magnitud física abstracta, ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. También se puede definir la energía de sistemas abiertos, es decir, partes no aisladas entre sí de un sistema cerrado mayor.

Principio de Conservación de la Energía: Un enunciado clásico de la física newtoniana afirma que “la energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma”.

La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo un número escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.

Utiliza lectura científica para

interpretar, inferir, deducir, analizar,

sintetizar y representar

fenómenos de la vida

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sus componentes. En sistemas aislados, además, la energía total tiene la propiedad de "conservarse", es decir, ser invariante en el tiempo. Matemáticamente la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado.

Pero, ¿qué se entiende por trabajo? En el lenguaje cotidiano tiene diversos significados; se asocia con la actividad humana, arte u oficio que alguien realiza y por lo cual recibe una remuneración o salario. En física tiene un significado muy específico para describir lo que se obtiene mediante la acción de una fuerza que produce en lo que se aplica un desplazamiento.

El trabajo efectuado por una fuerza constante, tanto en magnitud como en dirección, se define como: "el producto de la magnitud del desplazamiento por la componente de la fuerza paralela al desplazamiento".

En forma de ecuación: W =Fn d , donde

W denota trabajo, Fnes la componente de la fuerza paralela al desplazamiento neto d .

En forma más general se escribe: W =FdCosθ , donde F es la magnitud de la fuerza constante, d el desplazamiento del objeto y θ el ángulo entre las direcciones de la fuerza y del desplazamiento neto. Notemos que FCosθ es justamente la componente de la fuerza F paralela a d. Se aprecia que el trabajo se mide en Newton metros, unidad a la que se le da el nombre Joule (J). 1 J = 1 Nm

Veamos un ejercicio:Una caja de 40 kg se arrastra 30 m por un piso horizontal, aplicando una fuerza

constante F p=100 N ejercida por una persona. Tal fuerza actúa en un ángulo de 60º. El piso ejerce una fuerza de fricción o de roce

F r=20 N . Calcular el trabajo efectuado por cada una de las fuerzas Fp, Fr, el peso y la normal. Calcular también el trabajo neto efectuado sobre la caja.

Solución: Hay cuatro fuerzas que actúan sobre la caja, Fp, Fr, el peso mg y la normal (que el piso ejerce hacia arriba).

“Cinco Dimensiones Personalizantes hacia una Mejor Calidad de vida” 3

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El trabajo efectuado por el peso mg y la normal N es cero, porque son perpendiculares al desplazamiento (= 90º para ellas).

El trabajo efectuado por F pes: W p=F p x Cos 60 º (Usando x en lugar de d) = (100 N)(30 m)cos60º = 1500 J.

El trabajo efectuado por la fuerza de fricción F r es: W r=F r x Cos 180º Wr = (20 N)(30 m) *(-1) = -600 J.

El ángulo entre F r y el desplazamiento es 180º porque fuerza y desplazamiento apuntan en direcciones opuestas.

El trabajo neto se puede calcular en dos formas equivalentes:

1. Como la suma algebraica del efectuado por cada fuerza:W neto=1500 J +(-600 J )=900 J

2. Determinando primero la fuerza neta sobre el objeto a lo largo del desplazamiento: y luego haciendo:

Volviendo al tema de la energía, un objeto en movimiento tiene la capacidad de efectuar trabajo, y por lo tanto se dice que tiene energía. Por ejemplo un martillo en movimiento efectúa trabajo en el clavo sobre el que pega. En este ejemplo, un objeto en movimiento ejerce una fuerza sobre un segundo objeto y lo mueve cierta distancia.

Ejemplo No. 1:

Si se tiene un cuerpo en una posición A y al trasladarlo hacia una posición B, el trabajo realizado para vencer las fuerzas de rozamiento que se oponen al desplazamiento implica un consumo de energía (realmente lo que ocurre es una transformación de energía); por lo tanto en el punto B el cuerpo tendrá menor cantidad de energía.

Todos los procesos que impliquen rozamiento producen una transformación de energía en calor y como éste no se puede aprovechar decimos que se consume energía.

“Cinco Dimensiones Personalizantes hacia una Mejor Calidad de vida” 4

F (neta ) x=F pCos θ−F rW neto=F ( neta ) x

x=(F p Cos θ−Fr ) x=(100 N Cos 60º - 20 N ) (30 m )=900 J

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Si tenemos una partícula que se mueve una distancia s=AB bajo la acción de una fuerza constante F, el trabajo realizado se define de la siguiente forma

Trabajo = Fuerza × Distancia. W= F · S

El trabajo hecho por una fuerza es igual al producto del desplazamiento de la partícula por la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento.

  Ejemplo No. 2:

Si tenemos un plano inclinado sin rozamiento, al tener un cuerpo en el punto A se le debe suministrar una cierta cantidad de energía para trasladarlo al punto B, en el cual el cuerpo poseerá mayor cantidad de energía. En este caso se ha efectuado una acumulación de energía.

Como Fs=F cos θ W = F s cos θ

Ejemplo No. 3:

Otro caso de acumulación de energía ocurre cuando se comprime un resorte, el cual al estar comprimido contiene la energía suministrada para comprimirlo.

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 La energía recibe diferentes nombres de acuerdo a la forma como se manifiesta

TIPO DE

ENERGÍA

FORMA EN QUE SE MANIFIESTA

Lumínica Luz

Sonora Sonido

Eólica Viento

Mecánica Disponible en un eje

Potencial Posición

Cinética Velocidad

Eléctrica Electricidad

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DESEMPEÑO: Que el estudiante desarrolle

procesos de pensamiento lógico formal, mediante

situaciones problémicas, para fortalecer sus

acciones, habilidades, destrezas y desempeños en las cuales manifieste

el uso de las competencias básicas en los distintos contextos de

su vida diaria. .

 La energía recibe diferentes nombres de acuerdo a la forma como se manifiesta

TIPO DE

ENERGÍA

FORMA EN QUE SE MANIFIESTA

Lumínica Luz

Sonora Sonido

Eólica Viento

Mecánica Disponible en un eje

Potencial Posición

Cinética Velocidad

Eléctrica Electricidad

La velocidad final se despeja de la ecuación

W =12

mv f2−1

2mvi

2 Donde vi=0

2000 J=12

(1000 Kg ) v f2

, de donde v f=2

m2 .

ENERGIA POTENCIAL

Se dice que un objeto tiene energía cuando está en movimiento, pero también puede tener energía potencial, que es la energía asociada con la posición del objeto. Un pesado ladrillo sostenido en alto tiene energía

¡A Indagar!

Sabias que:…..

“Nos gusta explicar el

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Energía Potencial Elástica: Es la energía asociada con las materiales elásticos. Se demostrará a continuación que el trabajo para comprimir o estirar un resorte una distancia x es ½kx2, donde k es la constante del resorte.

Sabemos, por ley de Hooke, que la relación entre la fuerza y el desplazamiento en un resorte es F = -kx. El signo menos se debe a que la fuerza siempre se dirige hacia la posición de equilibrio (x = 0). La fuerza F ahora es variable y ya no podemos usar W = Fdcos .

“Cinco Dimensiones Personalizantes hacia una Mejor Calidad de vida” 7

La velocidad final se despeja de la ecuación

W =12

mv f2−1

2mvi

2 Donde vi=0

2000 J=12

(1000 Kg ) v f2

, de donde v f=2

m2 .

ENERGIA POTENCIAL

Se dice que un objeto tiene energía cuando está en movimiento, pero también puede tener energía potencial, que es la energía asociada con la posición del objeto. Un pesado ladrillo sostenido en alto tiene energía

Sabias que:…..

“Nos gusta explicar el

Desempeño: Elabora representaciones

gráficas de manera rigurosa y

sistemática indicando la

funcionalidad y organización de las

estructuras biológicas

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Encontremos primero una relación general para calcular el trabajo realizado por una fuerza variable, que luego aplicaremos a nuestro resorte

Como Fx es aproximadamente constante en cada x, W Fx x, y el trabajo total puede

aproximarse por

DESEMPEÑOInterpreta y plantea soluciones a situaciones polémicas acerca del

movimiento, de madera gráfica y analítica. 

ACTIVIDADES

1. Un rifle dispara una bala de 4.2 g con una rapidez de 965 m/s. a) Encuentre la energía cinética de la bala.b) ¿Cuánto trabajo se realiza sobre la bala si parte del reposo?c) Si el trabajo se realiza sobre una distancia de 0.75 m, ¿cuál es la fuerza media sobre la bala? 2. Un vagón de 15 Kg se mueve por un corredor horizontal con una velocidad de 7.5 m/s. Una fuerza constante de 10 N actúa sobre el vagón y su velocidad se reduce a 3.2 m/s.a) ¿Cuál es el cambio de la energía cinética del vagón?b) ¿Qué trabajo se realizó sobre el vagón?c) ¿Qué distancia avanzó el vagón mientras actuó la fuerza? 3. ¿Qué fuerza media se requiere para que un objeto de 2 Kg aumente su velocidad de 5 m/s a 12 m/s en una distancia de 8 m? Verifique su respuesta calculando primero la aceleración y aplicando luego la segunda Ley de Newton.

4. Un libro de 2 Kg reposa sobre una mesa de 80 cm del piso. Encuentre la energía potencial del libro en relacióna) con el pisob) con el asiento de una silla, situado a 40 cm del sueloc) con el techo que está a 3 m del piso

5. Un ladrillo de 1.2 kg está suspendido a dos metros por encima de un pozo de inspección. El fondo del pozo está 3 m por debajo del nivel de la calle. En relación con la calle ¿Cuál es la energía potencia del ladrillo en cada uno de los lugares

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6. ¿Qué velocidad inicial debe impartirse a una masa de 5 kg para que se eleve a una altura de 10 m? ¿Cuál es la energía total en cualquier punto durante su movimiento? 7. Un proyectil de 20 g choca contra un banco de fango y lo penetra una distancia de 6 cm antes de detenerse. Calcule la fuerza de frenado F si la velocidad de entrada fue de 80 m/s. 8. Un péndulo simple de 1 m de longitud tiene en su extremo un peso de 8 Kg. ¿Cuánto trabajo se requiere para mover el péndulo desde su punto más bajo hasta una posición horizontal? Calcule la velocidad del peso cuando pasa por el punto más bajo de su trayectoria.

9. La correa transportadora de una estación automática levanta 500 toneladas de mineral hasta una altura de 90 ft en una hora. ¿Qué potencia en caballos de fuerza se requiere para esto? 10. Una masa de 40 Kg se eleva hasta una distancia de 20 m en un lapso de 3 s. ¿Qué potencia promedio ha utilizado?

11. Una carga de 70 Kg se eleva hasta una altura de 25 m. Si la operación requiere 1 minuto, encuentra la potencia necesaria. Reporte su resultado en Watts y en caballos de fuerza

12. Una fuerza de 80 N mueve un bloque de 5Kg hacia arriba por un plano inclinado a 30°, según figura 2 el coeficiente de fricción cinético es de 0.25 y la longitud del plano son 20 metros ,calcular el trabajo que realizan cada una de las fuerzas sobre el bloque.

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