1. Un objeto de masa 80 Kg se levanta 2 m. de altura por un plano inclinado, recorriendo 5 m. en el trayecto. ¿Cuál es la ventaja mecánica de este plano? ¿Qué fuerza debe aplicarse?

2. Si realizamos una fuerza de 100 N logramos elevar un objeto en un plano inclinado cuya ventaja mecánica es de 3. ¿Cuál es la masa del objeto? ¿Qué distancia se recorre si lo levanta una altura de 2 m?

3. Un objeto de 50 kg. se puede levantar por un plano inclinado aplicando una fuerza de 98 N. ¿Cuál es la ventaja mecánica de este plano? Si se recorre una distancia de 6 metros, ¿A qué altura se levanta?

4. Se levanta con una carretilla un peso de 500 N. Si la distancia entre el eje de la carretilla y el manubrio es de 1,50 m, mientras que la carga se concentra a la mitad de la misma, ¿Qué fuerza se debe ejercer para levantar el peso?

5. Se puede levantar un peso de 300 N con una carretilla aplicando una fuerza de 100 N. Si el peso se aplica a 0,40 m del eje, ¿A qué distancia debe estar el manubrio?

6. Se quiere levantar un peso con una palanca de primer tipo. Si podemos aplicar una fuerza de 400 N y debemos levantar un peso de 1000 N. ¿Dónde debe colocarse el punto de apoyo si la palanca tiene 2m.?

Energía

Preguntas

¿Qué es la energía?¿Cuántos tipos hay?¿Cómo se transfiere?¿La energía se “gasta”?¿Puede utilizarse la energía

indefinidamente?¿Puede construirse un dispositivo que

entregue más energía que la que consume?

Definición de energía

• Es un concepto abstracto

• Puede considerarse como una medida de la capacidad o potencial de realizar una actividad dinámica.

¿Cuántos tipos de energía existen?

• Parecen haber muchos tipos: eléctrica, química, radiante, hidráulica, elástica, étc.

• Sin embargo, todas ellas pueden clasificarse en el fondo como cinética o potencial.

Unidades de energía

• La unidad de energía en el Sistema Internacional es el Joule (J)

• Por razones históricas, también se utiliza la caloría, cuya relación es 1 cal = 4,186 J

• También se utiliza en la vida cotidiana el Kw-hr, ya que podemos utilizar la potencia para el cálculo.

• Por ejemplo, una lámpara de potencia 100 W consume 0,1 Kw-hr por hora de funcionamiento

Tarea para la próxima clase

• Realice un relevamiento del consumo de los distintos artefactos eléctricos de su hogar.

• Calcule su utilización mensual y efectúe una aproximación del consumo en pesos siguiendo la siguiente tabla (EMSA – Agosto 2008)

• Primeros 30 Kwh……………$0,063• Siguientes 90 Kwh …………$0,101• Siguientes 80 Kwh …………$0.241• Excedente de 200 Kwh ……$0.269

Energía Cinética

• La energía cinética proviene del movimiento del cuerpo, y es igual a:

Ek = ½ mv2

Energía Potencial

• Es energía “esperando” para actuar, o “almacenada”• Puede adoptar muchas formas: resortes, enlaces• La debida a la gravedad es Ep = m * g * h

¿Cómo se transfiere la energía?

• Existen dos maneras de transferir energía: Calor y Trabajo

• El trabajo ya lo hemos definido, y es igual a W = F * d

• Es más difícil el concepto de calor

Calor

En la vida cotidiana, muchas veces

confundimos calor con temperatura

Sin embargo, la temperatura es una medida del calor, pero no es igual al flujo de energía!

Temperatura

• El primer termómetro que se conoce fue inventado por Galileo

• En un principio no había escalas normalizadas, y cada fabricante tenía una escala propia

• Así surgieron las escalas Celsius y Farenheit

Temperatura

• Todos se basan en que la temperatura del fluído termométrico es igual a la de la sustancia medida

• Esto expresa lo que se conoce como “ley cero de la termodinámica”: cuando dos cuerpos están en equillibrio térmico, tienen la misma temperatura

• "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí".

El calor y la energía

• En el siglo XVI, Lavoisier sugirió que el calor era un elemento, al que llamó calórico

• Este era liberado cuando por ejemplo, se limaba un metal

Equivalencia entre calor y trabajo

• Durante mucho tiempo se consideraron dos cosas distintas

• Sin embargo, Joule demostró que el trabajo podía convertirse en calor en su totalidad, y descubrió el “equivalente mecánico del calor”

Ley de Conservación de la energía

En un sistema aislado, la energía total del mismo se mantiene constante

Consecuencias:

1. No existe ni puede existir nada capaz de generar energía

2. No existe ni puede existir nada capaz de hacer desaparecer la energía.

3.-Si se observa que la cantidad de energía varía siempre será posible atribuir dicha variación a un intercambio de energía con algún otro cuerpo o con el medio circundante

Energía mecánica

• En este caso, debemos distinguir entre fuerzas conservativas y no conservativas

• En el caso de fuerzas conservativas, la energía total del sistema es la suma de las energías cinética y potencial, expresadas como:

• Et = Ek + Ep = ½ m*v2 + m*g*h

Ejemplo de cálculo

Un carrito está situado en reposo en la cima de una montaña rusa de 30 m de altura. Si el carrito pesa un total de 500 kg., ¿qué velocidad tendrá en la parte más baja de la misma?

Solución: la energía total del sistema será la suma de las energías cinética y potencial, esto es;

Et = Ek + Ep = ½ mv2 + mgh

En la cima, cuando la velocidad es cero, la energía total es igual a la energía potencial

Et = Ep = m*g*h = 500kg * 9,8 m/s2 * 30 m = 147.000 J

En la parte más baja, la energía total será igual a la energía cinética

Et = ½ mv2 = ½ * 500 * v2

Como la energía total se conserva, 250 v2 = 147.000 J

V = 24,24 m/s = 87 km/h

Fuerzas no conservativas

• En el caso de que las fuerzas no sean conservativas (fricción, fuerzas externas), el trabajo realizado es igual al cambio en la energía mecánica

W = Etf - Eti

Ejemplo• Un cuerpo de 20 Kg. de masa que se mueve a

una velocidad de 2 m/s se somete a una aceleración de 2 m/s2 durante 5 segundos. Calcule el trabajo realizado sobre el cuerpo

• Como actúa una fuerza externa, la energía mecánica del sistema varía. Al final de los 5 segundos, el cuerpo adquiere una velocidad de 10 m/s. De aquí

W = Etf – Eti = ½ * 20 Kg * (12 m/s)2 – ½ * 20 Kg * (2 m/s)2 = ½ * 20 Kg * 10m/s = 100 J

Problemas conceptuales

Un alumno de Diseño Industrial escala el Cerro Santa Ana, y al llegar a la cima se acuerda de su clase de fisicoquímica…. Y se hace algunas preguntas:

a) ¿Tiene más energía potencial o cinética que la que tenía antes de subir el cerro?. Explicar

b) ¿Tiene más, menos o la misma cantidad de energía al tope de la montaña que cuando empezó? (si no comió nada). Explicar

c) ¿Cómo quedó la cantidad de energía en el sistema solar?. Explicar

d) Si empujamos una piedra de la cima, ¿Va a tener la misma, mayor o menor energía al final de su caída? Explicar

Antes de escalar la montaña, el estudiante se comió una barra de cereales de 240 Kcal. Los enlaces de carbono se rompen en el estómago, liberando energía. Aproximadamente la mitad de esta energía se pierde en el sistema digestivo.

a) ¿Cuántos joules se pueden utilizar?

b) Luego de comer, se escala una colina de 50 m. La masa combinada de la bicicleta y escalador es de 83 kg. ¿Cuánta energía gravitacional ganó? ¿De dónde viene esta energía? ¿ Si se baja la colina, pero se pierde la mitad de la energía por resistencia del aire, que velocidad tendrá en la base?

Problemas

1. Un automóvil de 1000 kg. de masa aumenta su velocidad de 0 a 100 km/h en 8 segundos. Calcula su potencia en watt y en HP (1 Hp = 755 Watt)

2. Se lanza un cuerpo verticalmente hacia arriba con una velocidad de 20 m/s. Determine la máxima altura que alcanzará

Conservación de la energía

• El principio que explicamos antes constituye la primera ley de la termodinámica.

• Sin embargo, surge otra pregunta: ¿Si la energía no se pierde, entonces porqué tenemos que preocuparnos por no “gastarla”? ¿No podemos seguir reutilizándola?

Segunda ley de la termodinámica

La primera ley nos aclaró que la energía no se pierde en un proceso.

Sin embargo, cada vez que la energía es transferida o transformada, una parte de ella, y a veces toda, se vuelve menos útil.

Finalmente, toda la energía se convierte en “energía de bajo nivel”

Flujo de energía

• La energía fluye de una temperatura mayor a una menor (flujo de calor)

• La energía fluye de mayor presión a menor presión (expansión)

• La energía fluye de un mayor potencial de voltaje a uno menor (corriente eléctrica)

• La energía fluye de un potencial gravitacional mayor a uno menor (objetos en caída libre)

Flujo de energía

• Podemos pensar en la energía en niveles más altos como “más concentrada”, pero inevitablemente cayendo a niveles “menos concetrados”, es decir, menos útiles.

• Finalmente, siempre se llega a un equilibrio

Máquinas de movimiento perpetuo

• Como consecuencia de este principio, sabemos que no puede transformarse todo el calor en trabajo

• Lo cual implica que no podemos crear máquinas de “movimiento perpetuo”

Eficiencia de las máquinas

• Todo el trabajo puede volverse calor…….

• ¡Pero no todo el calor puede volverse trabajo!

• Ejemplo: Máquinas Térmicas (máquinas de vapor, motores de explosión)

• La mayoría tiene una eficiencia menor a 40%