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Documento parcial Para TEMA 7 Concepto de trabajo. Potencia Contenidos para Física y Química José Manuel Pereira Cordido. Departamento de Física y Química. IES San Clemente. Santiago

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Documento parcial

Para TEMA 7

Concepto de trabajo. Potencia

Contenidos paraFísica y Química

José Manuel Pereira Cordido. Departamento de Física y Química. IES San Clemente. Santiago

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José Manuel Pereira Cordido

Doctor en Ciencias

Catedrático de Bachillerato del I.E.S. San Clemente.

Santiago de Compostela

Edición 2013 © Gráficos y dibujos: José M. Pereira Cordido © Fotografías: José M. Pereira Cordido © Vídeo: José M. Pereira Cordido

© Realización, edición y diseño: José M. Pereira Cordido

Registro General de la Propiedad Intelectual. Santiago: 03/2013/695

Licencia Creative Commons: Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada.

Se permite la difusión del documento reconociendo su autoría

No se permite un uso comercial de la obra original ni la generación de obras derivadas

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TEMA 7.- Trabajo.

Trabajo: Caso general de una fuerza variable

En primer lugar, aclararemos que la palabra trabajo existe en el

idioma y representa un concepto totalmente diferente del significado

que se le dá dentro de la física. En el idioma habitual empleamos la

palabra trabajo cuando alguien desarrolla una actividad de cualquier

tipo. Trabajar en la oficina....trabaja en la construcción...trabaja como

cajero

Desde el punto de vista de la Física, como veremos, en ningún

caso, dichas actividades son trabajo.

Introduzcamos el concepto de trabajo.

Sabemos que una

posible consecuencia de la

acción de las fuerzas es el de

modificar el estado de reposo

o movimiento de una cuerpo,

además de la posibilidad de

producir deformaciones.

Supongamos, tal como

se indica en la figura, que una

fuerza F actúa sobre una sola

partícula P que se puede

mover sobre la curva C. Al

cabo de un tiempo muy corto

habrá sufrido un

desplazamiento elemental

que denominaremos dx.

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W F x∂ = ⋅∂

cosW F x∂ = ⋅∂ ⋅ α

Se define al trabajo realizado como el producto escalar del

vector fuerza por el vector desplazamiento:

Como, por definición, el producto escalar de dos vectores es

un escalar obtenido de multiplicar los módulos de los vectores F y

x, por el coseno del ángulo que forman, escribiremos:

(Escribimos F entre dos barras para destacar que hablamos de

su módulo)

Por tanto, el escalar trabajo es una magnitud derivada que

tendrá las dimensiones de fuerza . longitud ( N ·m ) ya que cos es un

número adimensional. Tiene, como otras muchas magnitudes

derivadas de otras fundamentales un nombre especial; que para el

caso es el de julio (J).

Si observamos la figura, es

evidente que F cos α es,

precisamente, el valor de la

proyección de F sobre la dirección

X.

Es decir, es la

componente de la fuerza F en la

dirección x, que habitualmente se

denomina Fx .

Por eso es habitual afirmar que para calcular el trabajo realizado

por una fuerza basta multiplicar el tamaño del desplazamiento por el

módulo de la componente de la fuerza a lo largo de dicha dirección.

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W F x∂ = ⋅∂

B

AW F x∂ = ⋅∂∫ ∫

B

xAW F x= ⋅∂∫

La expresión:

mediante la cual hemos definido el trabajo, proporciona el

modo de calcular el trabajo en un desplazamiento infinitesimal.

El trabajo realizado sobre una partícula a lo largo de una

trayectoria cualquiera cuando la partícula pasa de encontrarse en un

punto A a otro B se calcularía como

En definitiva, el cáculo del trabajo de una fuerza variable

requiere realizar esta antipática operación de integrar.

Decimos antipática ya que en este nivel educativo y en este

momento del curso, no estamos en forma para llevar a cabo tan

arduo trabajo. Bueno, y para ser sinceros, en muchos casos no

sabemos realizar esta operación ya que carecemos del necesario

hábito.

Pero sí sabemos salir airosos del cálculo del trabajo en dos

situaciones especiales.

Especiales por su sencillez. Veamos

Realizaremos el cálculo del trabajo en dos situaciones

especialmente sencillas. La primera, cuando la fuerza es proporcional

al desplazamientoy, una segunda situación, más sencilla que la

anterior que es cuando la fuerza es constante a lo largo del

desplazamiento.

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Cálculo del Trabajo: Caso de una fuerza que varía linealmente (proporcional).

Existen fuerzas que aún siendo variables, su modo de variar es

muy sencillo. Varían a lo largo del desplazamiento, siendo

proporcionales al desplazamiento y manteniendo siempre la misma

dirección.

En definitiva, conservan

dirección y sentido pero su módulo

crece de forma proporcional al

desplazamiento.

Ya las hemos estudiado, son

aquellas fuerzas que siguen la Ley

de Hooke. Estas fuerzas, a pesar de

ser ya conocidas, merecen en este

apartado nuestra atención.

Sabemos que son las típicas

fuerzas que se desarrollan en las sustancias denominadas elásticas,

calificadas así porque cumplen la ley:

F = − K x

Por tanto, la función que

indica la forma en la que está

relacionada la fuerza con el

desplazamiento es una función

lineal.

El laforma que refleja la

figura de la izquierda.

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B

xAW F x= ⋅∂∫

0 0 0

x x x

xW F x Kx x K x x= ⋅∂ = ∂ = ∂∫ ∫ ∫

0 0 0

x x x

xW F x Kx x K x x= ⋅∂ = ∂ = ∂∫ ∫ ∫

0

22 122

x xK x x KW Kx= ∂ = =∫

xF K x= ⋅

212

W Kx=

En consecuencia, el cálculo del trabajo se simplifica. Tenemos

que realizar la integral:

En la que

Y la solución es fácil ya que dicha integral es inmediata, resulta:

En definitiva, el trabajo, para

este caso es :

Hemos representado a la

izquierda el significado gráfico de

dicha integral.

Es el área triangular

sombreada, cuyo valor conocemos

después de realizar una sencilla

integral inmediata.

Pero no es menos cierto que sin el procedimiento integral

hubiésemos resuelto igual el problema, ya que si sabemos el

significado gráfico de integrar equivale a calcular un área, en este caso

calcular el área de un triángulo.

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1 1(sup base altura2 2

erficie W x Kx= × = ⋅

0

B B x

A AW f x x f x altura AB

=

== ∂ = ∂ = ⋅Δ = ×∫ ∫

En definitiva, si pretendiésemos calcular el área del referido

triángulo (comprendido entre la recta y las dos coordenadas)

tendríamosque hallar el área de una superficie:

Es evidente, que si la fuerza es

constante como el el caso de la figura de

la izquierda (véase que f se representa

como una recta paralela al eje x )

nuestros conocimientos de cálculos de

áreas nos permiten predecir que el trabajo

de dicha fuerza constante será:

superficie ( W )= base · altura

que es el mismo resultado de recurrir al procedimiento de la integración:

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Trabajo: Caso de una fuerza constante.

Abordaremos ahora el caso más sencillos, es la situación

especial que se presenta cauando la fuerza es constante. Constante en

el caso de una magnitud vectorial, significa constancia en módulo,

dirección y sentido.

Vamos a hacer algunas reflexiones sobre la realización de

trabajo por parte de una fuerza aplicada a un cuerpo, tal como se

indica en la figura (omitimos, inicialmente el peso).

Supondremos que la fuerza no varía a lo largo del

desplazamiento.

Nos plantearemos pues, el

cálculo del trabajo para el caso de

una fuerza constante (no olvidar:

en módulo, dirección y sentido).

Como puede verse, la fuerza

aplicada puede ser descompuesta

en dos direcciones. Una dirección la

del posible desplazamiento, y otra

dirección perpendicular a dicho

desplazamiento.

Es evidente que la componente

(en nuestro caso) vertical de la fuerza

no realiza trabajo, pues el peso (que

ahora ya dibujamos) es mayor que la

componente vertical, e impedirá que

el cuerpo se eleve. Como

consecuencia, no habrá

desplazamiento en la dirección del

eje Y .

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. 0 0B B

comp vertial A AW F sen y F sen y F sen= ⋅ α ⋅∂ = ⋅ α ∂ = ⋅ α ⋅ =∫ ∫

. cos cos coscomp horizontal

B B

A xAW F xF x F x F x= ⋅ α ⋅∂ = ⋅ α ∂ = ⋅ α ⋅ = ⋅∫ ∫

Por tanto, el trabajo de la componente vertical, en este caso es:

Mientras que para la componente (en nuestro caso) horizontal

de la fuerza, sí realiza trabajo:

Podríamos afirmar que, en el caso que antes hemos

considerado, la fuerza aplicada tiene una componente inútil para

producir trabajo; y otra componente útil para la producción de

trabajo. En el presente caso, la componente horizontal realiza trabajo.

La componenete inútil era la vertical, ya que su valor no supera

al peso y, en consecuencia, no existe una fuerza resultante en

dirección vertical. No habrá desplazamiento en dirección Y.

No es menos cierto que, a pesar de no realizar trabajo,la

componente vertical aminora la fuerza con que el cuerpo aprieta a la

superficie, hecho que puede tener su importancia.

También puede ocurrir que dicha

componenente vertial supere la fuerza

del peso.

Esta situación, que refleja la figura

de la izquierda algo más compleja que la

anterior, haría que ambas componentes

realizasen trabajo

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Cálculo de trabajo es casos sencillos y cuando la fuerza es constante.

Cuando hemos impuesto la condición de que la fuerza es

constante, caso muy especial de la realización de trabajo, el trabajo se

define como el producto escalar de la fuerza (decimos la fuerza, ya

que es constante y única) por el desplazamiento.

Si se aplica una fuerza F sobre un cuerpo y este realiza un

desplazamiento sΔ , decimos que se realizó un trabajo W :

Como ya hemos dicho, es una magnitud escalar, dado que es

el resultado del producto escalar de dos vectores: la fuerza y el

desplazamiento. En razón de la definición de producto escalar, el

cálculo se hace:

siendo alfa el ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento.

En el Sistema Internacional, la unidad es el Julio (J), trabajo que

realiza una fuerza de un Newton cuando su punto de aplicación se

desplaza un metro.

Como ya hemos visto en el apartado anterior, para evaluar el

trabajo que realiza una fuerza debemos tener en cuenta

exclusivamente la fuerza que actúa sobre el cuerpo y realiza trabajo.

Por lo que ya hemos dicho, puede haber una componente inútil

si su dirección es perpendicular al desplaza miento.

La expresión del trabajo, para el caso en la la fuerza y el desplazamiento formen un ángulo de 90ºsería:

.

Las fuerzas o componentes que actúan en dirección

perpendicular al movimiento no realizan trabajo. El trabajo, si lo

hay, correrá a cargo de la que hemos llamado componente útil de la

fuerza.

W F s= ⋅Δ

cosW F s= × Δ × α

cos cos90 0W F s F s= Δ α = Δ =

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Veamos un ejemplo:

Supongamos que mediante una grúa elevamos un objeto que,

además, cuando está suspendido de la grúa desplazamos

horizontalmente.

El objeto tiene de masa m la altura es h y el desplazamiento

horizontal d:

El trabajo total que realiza la grúa se puede descomponer en

dos trabajos parciales realizados en dos fases:

En una primera fase, la grúa eleva el objeto y para eso el cable

realiza una fuerza en la dirección del desplazamiento igual al peso

que ha de levantar, el trabajo realizado será:

En una segunda fase, la grúa desplaza el objeto

horizontalmente, el cable sigue ejerciendo la fuerza igual al peso, pero

ahora el desplazamiento es perpendicular a la fuerza por lo cual el

trabajo es nulo:

En esta segunda etapa, aunque el cable ejerce una fuerza,

no realiza trabajo porque no hay desplazamiento en la dirección de

la fuerza.

Ejemplo 2

Un cuerpo de 4 Kg de masa desciende por un plano de 2 m

longitud y 30º de inclinación bajo la acción de su propio peso.

a) Hallar el trabajo realizado por éste.

b) Comprobar que el trabajo es realizado por la componente

tangencial del peso.

cos0W mgh mgh= =

cos90 0W mgd= =

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cos cos 4 2cos60º 39,2W Fs mgl J= α = α = × 9,8× =

30º 4 30º 19,6tF mg sen sen N= = ×9,8× =

cos0º 19,6 2 1 39,2tW F l J= × × = × × =

Solución:

a) En la figura

podemos observar

que el ángulo que

forman el peso y el

desplazamiento es de

60º, por lo tanto, el

trabajo realizado por

el peso será:

b) La componente tangencial del peso es:

En sínteis, para este caso concreto:

1.-El trabajo lo realiza la fuerza que produce el desplazamiento.

2.-Es una magnitud escalar.

3.-Sólo realizan trabajo las fuerzas, o las componentes, que actúan en la dirección del desplazamiento.

4.-Las fuerzas en dirección perpendicular al movimiento no realizan trabajo

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Trabajo de ida-vuelta o trabajo neto.

Complemento de lo hasta aquí expuesto, puede ser útil para la

comprensión del concepto de trabajo, detenerse en considerar el

trabajo realizado después de haber

llevado a cabo desplazamientos de

cuerpos como los que se indican en

las figuras.

Un cuerpo se encuentra

sobre una superficie totalmente

lisa y realizamos con él un viaje de

ida-vuelta.

Primero, mediante una

fuerza F (supondremos constante)

se desplaza al cuerpo de A a B..

Luego, otra fuerza, idéntica

a la anterior pero de sentido

contrario, realiza la operación

contraria y vuelve con el cuerpo de

B a A.

El mismo ejemplo sería el que representamos debajo. Ahora, el

cuerpo se eleva primero de A a B y luego se le desciende de B a A.

Decimos que el ejemplo es idéntico ya que la única diferencia

sería la de la existencia de una superficie

de apoyo en el primer caso, pero hemos

aclarado que la superficie por ser

totalmente lisa no dificulta el

desplazamiento.

Si representamos el trabajo

realizado por la fuerza constante que

hemos aplicado en el desplazamiento de A

a B, obtenemos una gráfica como la de la

izquierda.

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Si hacemos lo mismo para el trabajo

de B a A, dado que la fuerza es de sentido

contrario, podemos obtener una figura

idéntica, sólo que por debajo del eje de

abcisas. Nótese que la fuerza ahora es -f y

por tanto el trabajo aparece representado

en la parte negativa del eje F; por tal

motivo hemos designado al trabajo de A a

B como positivo y el de regreso como

negativo.

En definitiva, al realizar la suma de

ambos trabajos, el resultado neto es que

el trabajo total es nulo.

Superponiendo los dos ejemplos, e imaginando que una fuerza

horizontal tal como F (en la primera de las figuras) desplaza el cuerpo

de A a B, luego desciende verticalmente (etapa en la que F horizontal

no realiza trabajo), luego regresa de B a A y finalmente asciende; en

definitiva, y tal como representamos en la figura pasa de 1 a 2,3,4 y

regresa a 1 el trabajo neto realizado es nulo.

Destacaremos que aunque la conclusión ha sido obtenida en un

caso particularmente sencillo, tiene aplicación general siempre y

cuando ninguna porción de trabajo se pierda.

Afirmaremos que de no existir

pérdidas, cuando sobre un cuerpo se

realice trabajo y su posición inicial y

final sean idénticas, el trabajo neto

realizado es nulo sea cual fuere el

camino seguido para ello.

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WPt

Δ=

Δ

WPt

∂=

realizadomedia

empleado

WPt

=

Potencia.

En la vida cotidiana resulta muy práctico conocer la rapidez de

un trabajo. A efectos prácticos, es casi más importante saber de las

posibilidades de realizar un trabajo rápidamente que la cuantía del

trabajo en sí misma.

Por ello, la Física define un concepto muy sencillo para referirse

a tal rapidez. Le llama potencia y lo denomina potencia instantánea

como:

define pues a la potencia como el trabajo realizado por unidad

de tiempo.

Esta rapidez o velocidad con la que se realiza el trabajo es lo

que conocemos cómo potencia. La potencia es una magnitud escalar

ya que es el cociente entre dos magnitudes también escalares.

Es habitual entender que si un trabajo se realiza a lo largo de un

determinado período de tiempo, la potencia se refiere a dicho período.

Entonces, estamos hablando de una potencia media que escribiríamos

como :

Dado que ya se ha definido una unidad para el trabajo, la

potencia como unidad derivada tiene dimensiones de Js−1, pero que,

como en otras muchas ocasiones tiene un nombre específico que

recuerda a algún eminente investigador. En esta ocasión, a los Js−1 se

les denomina Watios.

Con mucha frecuencia las potencias se expresan en múltiplos de

la unidad (múltiplos del watio) por lo que debe recordarse que el

Kilowatio son 103 watios

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4 735 2940WP CV WCV

= ⋅ =

736002940 2,5 sW P t h Jh

= Δ = ⋅ = 2,6 ⋅10

7 7 1 1 7,221000 3600

Kw hJ W s Kwhw s

2,6 ⋅10 = 2,6 ⋅10 ⋅ ⋅ ⋅ =

Trabajo tiempotiempo

×

Trabajo y potencia en la vida diaria

Si bien es cierto que en la vida diaria deben emplearse las

unidades del S.I., no es menos cierto que lo habitual es expresar los

trabajos y las potencias en unidades que no mencionamos hasta aquí y

que es imprescindible conocer.

El trabajo se expresa fuera del área de la física, siempre, con las

unidades llamadas kilowatios hora. Que debe ser leído como

kilowatios por hora (por...de multiplicar). Es decir Kilowatios × hora.

Con demasiada frecuencia se entiende mal, aunque es evidente

que al multiplicar

Lo que resulta es trabajo, por tanto hablamos de una unidad de

trabajo

Para el caso de la potencia, es todavía mas frecuente expresar la

potencia en caballos. Debe saberse que los referidos caballos ( C.V.)

equivalen a 735 watios.

1 C.V. = 735 watios

Ejemplo

Un motor tiene una potencia de 4 CV. ¿Cuál es su potencia en

watios? ¿Qué trabajo realiza en dos horas y media ? Exprese el

resultado en julios y en kilovatios hora.

Solución:

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