Trabajo y energía

1. Trabajo y energía Física I

2. Contenido • Definición de trabajo • Producto escalar de dos vectores • Trabajo de una fuerza variable • Trabajo hecho por un resorte • Trabajo y energía • Energía cinética • Potencia

3. Definición de trabajo El trabajo W efectuado por un agente que ejerce una fuerza constante es el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento y la magnitud del desplazamiento. W = F s cos q F q F cos q s

4. Producto escalar de dos vectores El producto escalar de dos vectores A y B es una cantidad escalar igual al producto de las magnitudes de los dos vectores y el coseno del ángulo entre los dos vectores. A·B = AB cos q Proyección de B sobre A Proyección de A sobre B A cos q B q B A q A B cos q

5. Continuación Se cumplen las siguiente fórmulas: A·B = B·A A·(B+C) = A·B + A·C i·i = j·j =k·k = 1 i·j = i·k =j·k = 0 Si A = Axi +Ayj +Azk y B = Bxi +Byj +Bzk, entonces: A·B = AxBx +AyBy +AzBz.

6. Trabajo de una fuerza variable Fx Fx Área = DA = FxDx Fx Trabajo x x xi xf xi xf Dx El trabajo hecho por la fuerza Fx es el área del rectángulo sombreado. El trabajo total es el área bajo la curva.

7. Continuación La curva de Fx se divide en un gran número de intervalos, el trabajo será igual a: Si hacemos los Dx tender a cero, se tendrá que W es: En tres dimensiones:

8. Ejemplo Calcule el trabajo realizado por la fuerza cuando la partícula se mueve de x = 0 m a x = 6.0m. El trabajo es el área del rectángulo más el área del triángulo: W = (5)(4) + (2)(5)/2 = = 25 J F(N) 5 5 x 0 1 2 3 4 5 6

9. Ejemplo Calcule el trabajo que realiza el Sol sobre una sonda espacial se aleja del Sol desde r = 1.5x1011 m a r = 2.3x1011 m. La fuerza que ejerce el Sol sobre la sonda es F = -1.3 x 1022/x2 El trabajo es el área sombreada en la gráfica.

10. Tarea La fuerza que actúa sobre una partícula se muestra en al figura. Encuentre el trabajo hecho por la fuerza cuando la partícula se mueve de a) x = 0 a x =8; b) x = 8 a x = 10; c) x = 0 a x =10. F(N) 6 4 2 0 -2 -4 x 2 4 6 8 10

11. Trabajo hecho por un resorte Fr x = 0 Fx es negativa x es positiva kxm Fx = 0 x = 0 x xm Fr = -kxm Fx es positiva x es negativa Fr = -kxm x

12. Trabajo y energía Una fuerza Fneta actúa sobre un cuerpo de masa m, en dirección +x. Las ecuaciones de posición y velocidad son: Despejando t de (2) y sustituyendo en (1) podemos encontrar que:

13. Energía cinética La energía cinética se define como: El trabajo neto efectuado por una fuerza sobre un cuerpo es: El teorema de trabajo energía establece que: Trabajo hecho por una fuerza = Cambio en su energía cinética El trabajo efectuado por la fuerza neta constante Fneta al desplazarse una partícula es igual al cambio en la energía cinética de la partícula.

14. Situaciones con fricción cinética Si hay fuerzas de fricción, habrá una pérdida de energía cinética debido a esta. DKfricción = – fcd La ecuación de trabajo energía cinética será

15. Ejemplo Un bloque de 6 kg es jalado hacia la derecha en una superficie sin fricción con una fuerza horizontal constante de 12 N. Encuentre la rapidez después que ha recorrido 3 m. W = Fd = (12)(3) = 36 J W = Kf – Ki = ½ mvf2 – 0 n vf F d vf = 3.5 m/s mg

16. Ejemplo Un bloque de 6 kg es jalado hacia la derecha en una superficie con fricción con una fuerza horizontal constante de 12 N. El coeficiente de fricción es 0.15. Encuentre la rapidez después que ha recorrido 3 m. n W = Fd = (12)(3) = 36 J La enegía perdida por la fricción es: DKfricción = – fcd = – (0.15)(6)(9.8)(3) = 26.5 J Aplicando 0 + 36 – 26.5 = ½ 6 vf2 vf2 = 3.18 vf F d mg vf = 1.8 m/s

17. Tarea Una partícula de 0.6 kg tiene una rapidez de 2 m/s en el punto A y una energía de 7.5 J en B. a)¿Cuál es su energía en A? b) ¿Su rapidez en B? c ) ¿El trabajo total realizado cuando se mueve de A a B?

18. Potencia La potencia promedio se define como la cantidad de trabajo W hecha en un intervalo de tiempo Dt : En términos más generales, la potencia es la tasa de transferencia de energía en el tiempo. La potencia instantánea es el valor límite de la potencia promedio cuando Dt tiende a cero: Además

19. Unidades de potencia La unidad de potencia es: [P] = [W]/[T] = J/s = watt = W La unidad en el sistema inglés es el caballo de potencia (horsepower) 1 hp = 746 W La unidad de energía puede definirse en términos de la unidad de potencia. Un kilowatt-hora es la energá consumida en una hora a una relación constante de 1 kW = 1000 Js 1kWh = (1000 W) (3600 s) = 3600000 J

20. Tarea Calcule el gasto de energía consumida por los siguientes aparatos o dispositivos: a) Un foco de 75 W en 4 hrs. b) Un horno de microondas de 1200W en 35 min. c) Una televisión de 300 W en 8 hrs. d) Un calentador eléctrico de 1500 en 8 hrs. e) Un cobertor eléctrico de 40 W en 8 hrs. ¿qué dispositivo o aparato consume más energía?

21. Tarea Un grupo de perros arrastra un trineo de 100 kg en un tramo de 2.0 km sobre una superficie horizontal a velocidad constante. Si el coeficiente de fricción entre el trineo y la nieve es 0.15, determine a) el trabajo efectuado por los perros y b) la energía perdida debido a la fricción. Una fuerza F = (6i - 2j)N actúa sobre una partícula que experimenta un desplazamiento s = (3i + j) m. Encuentre a) el trabajo realizado por la fuerza sobre la partícula, y b) el ángulo entre F y s. La fuerza requerida para alargar un resorte que sigue la ley de Hooke varia de cero a 50.0 N cuando lo extendemos moviendo un extremo 12.0 cm desde su posición no deformada. a) Encuentre la constante de fuerza del resorte. b) Determine el trabajo realizado en extender el resorte. Una bala de 15.0 gr se acelera en el cañón de un rifle de 72.0 cm de largo hasta una velocidad de 780 m/s. Emplee el teorema del trabajo y energía para encontrar la fuerza ejercida sobre la bala mientras se acelera.