La energía es una propiedad que se relaciona con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza. La noción de energía se introduce en la física para facilitar el estudio de los sistemas materiales.

La naturaleza es esencialmente dinámica; es decir, está sujeta a cambios: cambios de posición, cambios de velocidad, cambios de composición o cambios de estado físico, por ejemplo. La energía es una propiedad o atributo de todo cuerpo o sistema material en virtud de la cual éstos pueden transformarse modificando su situación o estado, así como actuar sobre otros originando en ellos procesos de transformación. Sin energía, ningún proceso físico, químico o biológico sería posible.

La energía se puede presentar en formas diferentes; es decir, puede estar asociada a cambios materiales de diferente naturaleza. Los cambios que sufren los sistemas materiales llevan asociados, precisamente, transformaciones de una forma de energía en otra. Pero en todas ellas la energía se conserva; es decir, ni se crea ni se destruye en el proceso de transformación.

Otro modo de interpretarlo es el siguiente: si un sistema físico está aislado de modo que no cede energía ni la toma del exterior, la suma de todas las cantidades correspondientes a sus distintas formas de energía permanece constante. Dentro del sistema pueden darse procesos de transformación, pero siempre la energía ganada por una parte del sistema será cedida por otra.

De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, los que interesan a la mecánica son los asociados a la posición y/o a la velocidad de un cuerpo, de modo que éste puede cambiar porque cambie su posición o porque cambie su velocidad. De acuerdo con su definición, la energía mecánica puede presentarse bajo dos formas diferentes según esté asociada a los cambios de posición o a los cambios de velocidad.

Energía Potencial y Cinética

  • Energía Potencial: Es la energía que posee un cuerpo o sistema en virtud de su posición o de su configuración (conjunto de posiciones). Es la energía que tienen los cuerpos que están en reposo y depende de la posición del cuerpo en el espacio: a mayor altura, mayor será su energía potencial.
  • Energía Cinética: Es la que posee todo cuerpo en movimiento. Un cuerpo en movimiento es capaz de producir movimiento; esto es, de cambiar la velocidad de otros. Es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su movimiento. Todo cuerpo que se mueve posee energía cinética. Por ejemplo, cuando se lanza una pelota, esta adquiere energía cinética.

Definición de Trabajo

En el lenguaje cotidiano, la palabra “trabajo” se asocia a todo aquello que suponga un esfuerzo físico o mental, y que por tanto produce cansancio. Analizando un ejemplo, decimos que el arco ejerció una fuerza sobre la flecha y esta fuerza produjo un desplazamiento de la última, determinando que se desarrolle trabajo mecánico.

El trabajo W hecho sobre un cuerpo (por ejemplo, la flecha), depende de la fuerza hecha sobre el cuerpo y del desplazamiento del cuerpo causado por esta fuerza. En el caso del arco y la flecha, el arco hace un trabajo ya que ejerce una fuerza sobre la flecha durante un cierto desplazamiento.

Teorema del Trabajo y la Energía Cinética

El cambio en la energía cinética es exactamente igual al trabajo realizado por la fuerza neta en la dirección de movimiento.

Según el teorema trabajo-energía (W total = Ec final - Ec inicial) como el trabajo es el mismo, el cambio en la energía cinética debería ser el mismo en ambos veleros.

Ejemplos Prácticos

Ejemplo 1

El bloque de la figura en el punto A tiene una velocidad de 5 m/s, entre el A y el punto B no hay roce.

Ejemplo 2

Un ciclista tiene una velocidad de 15 m/s al pie de una colina y una velocidad de 10 m/s al alcanzar la cumbre de la colina. La masa total del ciclista y la bicicleta es de 65 kg, y la altura vertical de la colina es de 25 m. ¿Cuál es el trabajo aplicado mínimo hecho por el ciclista para subir la colina? Primero calculamos los cambios de energía cinética y potencial...

Aquí Delta I es el aumento de energía interna de la bicicleta y el medio debido al rozamiento. El mínimo valor de W es, por lo tanto, 1,18 × 104 J, que es el trabajo que se necesitaría en ausencia de rozamiento. Como en la práctica W tendría que ser mayor que este valor mínimo a causa del rozamiento, la energía necesaria sería también mayor.

Otros ejemplos incluyen:

  • Una persona empuja un auto en forma horizontal aplicándole una fuerza en el mismo sentido del desplazamiento.
  • Se deja caer un objeto de 2 [kg] de masa desde una altura de 2[m].
  • Una persona tiene que poner 15 sacos de 10 (kg) de masa que están en el suelo en una repisa a 1,2 (m) de altura.
  • Un futbolista patea una pelota detenida de masa 0,45 [kg] ejerciendo una fuerza de 40 [N] sobre ella durante 0,5 [m]. ¿Con qué velocidad sale la pelota?
  • Dos veleros navegan en la misma dirección en un lago de aguas tranquilas. Las velas de los veleros son del mismo tamaño pero uno de los veleros tiene el doble de la masa del otro. El trabajo hecho por el viento es el mismo en ambos veleros, ya que la fuerza hecha en las velas es la misma y el desplazamiento de los veleros también.
  • Si una flecha es disparada con una velocidad inicial de 60 [m/s] ¿cuál es la energía elástica en el arco antes de efectuar el disparo?

La Energía en la Vida Cotidiana

La potencia P de una máquina es la velocidad a que ésta produce trabajo. Un kilowatt (kW) son 1000 watts = 103 Watts.

Un hombre de 70 kg (154 lb) consume normalmente unos 107 J por día, cantidad ésta que depende de su actividad física, es decir, de la cantidad de trabajo (en el sentido técnico) que hace. La velocidad metabólica decrece hasta 75 W durante el sueño y se eleva hasta 230 W cuando se camina.

Es interesante intentar calcular la velocidad metabólica para una actividad determinada, como el correr. Se ha demostrado que la mayor parte del trabajo efectuado al correr es la aceleración y desaceleración de las piernas a cada paso. Cuando una pierna se levanta del suelo, se lleva desde el reposo hasta una velocidad aproximadamente igual a la velocidad del cuerpo. En este proceso, los músculos de la pierna efectúan un trabajo igual al cambio de energía cinética de la pierna, es decir, igual a 1/2 mv2, donde m es la masa de la pierna. Así, cuando la pierna se detiene de nuevo, los músculos antagonistas también hacen un trabajo igual a 1/2 mv2. A cada paso, por lo tanto, los músculos de las piernas hacen un trabajo aproximadamente igual a mv2.

Consideremos un hombre de 70 kg de peso que corre a 3 m/s (10.8 km/h, aproximadamente). Supongamos que la longitud de su paso -la distancia entre dos huellas sucesivas del mismo pie- es de 2 m.

TAG: #Trabajo

Lea también: