TRABAJO Y ENERGIA

Después del establecimiento de la dinámica de Newton, la búsqueda de relaciones directas entre fuerzas, desplazamientos, etc, condujo, tras un proceso de más de 150 años, a la introducción de nuevas magnitudes, en concreto a los conceptos de trabajo, calor y energía. En este tema veremos cómo se definen estos conceptos desde un punto de vista científico y qué aportan al estudio de los movimientos.

1. CONCEPTO DE ENERGIA

A.1 Mencionad objetos o sistemas (conjuntos de cuerpos) que tengan energía.

A.2 Explicad en qué está basada la capacidad de algunos de los sistemas mencionados en la actividad anterior para producir transformaciones.

A.3 Proponed, a título de hipótesis, de qué factores cabe plantear que dependa la energía cinética de un objeto en movimiento.

A.4 Pensad de qué factores cabe suponer que dependa la energía potencial de los siguientes sistemas: a) La Tierra y un cuerpo situado en las proximidades de la superficie terrestre. b) Un muelle que no se encuentra en su posición de equilibrio.

2. FORMAS DE CAMBIAR LA ENERGIA DE UN SISTEMA: TRABAJO Y CALOR. PRINCIPIO GENERAL DE CONSERVACION DE LA ENERGIA.

Veremos ahora qué tipo de transformaciones pueden realizar los sistemas y cómo afecta esto a su energía.

A.5 Considerad los sistemas siguientes y decid posibles maneras de variar su energía: un tren en movimiento, la Tierra y un objeto en sus proximidades, el gas caliente de una olla a presión, el gas encerrado en un pistón con émbolo.

A.6 Estableced, según lo visto en la actividad anterior, una relación general entre el trabajo, el calor y la energía de un sistema. Concretad este principio general para transformaciones mecánicas.

A.7 Haced un balance energético cualitativo de los siguientes procesos: a) Un objeto cae libremente desde una cierta altura y rebota en un muelle. b) Un objeto desliza por el suelo hasta que se para. c) Un arquero lanza una flecha que se incrusta en un árbol.

3. DEFINICION OPERATIVA DE LA MAGNITUD TRABAJO.

De las dos formas de cambiar la energía de un sistema, vamos ahora a deducir una expresión para calcular la que hemos denominado trabajo.

A.8 Proponed una posible definición operativa de la magnitud trabajo.

A.9 Muchas veces la fuerza que actúa sobre un cuerpo no tiene la dirección del desplazamiento. Generalizad la expresión anterior para abarcar estas situaciones.

A.10 Haced una estimación del trabajo realizado al levantar una cartera. Idem. de la energía necesaria para que un ascensor suba a 4 personas hasta un 4º piso.

A.11 Una persona arrastra un trineo tirando de una cuerda que forma un ángulo de 30º con la horizontal. La tensión de la cuerda es 50N. Obtened el trabajo realizado al desplazar el trineo 8m.

4. EJERCICIOS Y PROBLEMAS.

A.12 Lanzamos verticalmente hacia arriba un objeto de 2Kg, imprimiéndole una velocidad inicial de 30m/s. Haced un estudio cinemático completo del movimiento. Después realizad segundo a segundo, un balance de energías (cinética, potencial y total) del proceso. Comprobad que se verifica el principio de conservación de la energía.

A.13 Haced lo mismo que en el ejercicio anterior para un vehículo de 1000Kg que, viajando a 8m/s, frena hasta detenerse frente a un semáforo en fase roja (=0.2).

A.14 Se deja caer un objeto desde una altura de 80m. Deducid la velocidad con la que llegará al suelo. Resolved el problema, primero utilizando las leyes de Newton y después mediante el principio de conservación de la energía.

A.15 Deducid la altura que alcanzará un objeto lanzado hacia arriba por una pendiente de inclinación 30º con una velocidad inicial de 20m/s (considerad el rozamiento despreciable).

A.16 Deducid la longitud que ha de tener una pista de despegue de un aeropuerto.

A.17 Se hace deslizar un objeto horizontalmente por el suelo, imprimiéndole una velocidad inicial de 10m/s. Deducid la distancia que recorrerá. (=0.1).