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jueves, 25 de febrero de 2016

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12.1- Energía




Quizás el concepto más importante de toda la ciencia sea la energía. La combinación de energía y materia forma el Universo: la materia es sustancia, en tanto que la energía es lo que mueve la sustancia.

Es fácil de entender la idea de materia. La materia es lo que podemos ver, oler y sentir. Tiene masa ocupa espacio. En cambio, la energía es abstracta; no la vemos, ni la olemos, ni la sentimos la mayoría de las veces. Es sorprendente que Isaac Newton no conociera la idea de energía y que todavía se debatiera su existencia en la década de 1850. Aunque la energía nos es muy familiar, resulta difícil definirla, porque no sólo es una "cosa", sino que es una cosa y un proceso a la vez, algo así como si fuera a la vez un sustantivo y verbo. Las personas, los lugares y las cosas tienen energía, aunque normalmente observamos la energía solo cuando se transforma. Nos llega en forma de ondas electromagnéticas del Sol, y la sentimos como energía térmica; es captada por las plantas y une las moléculas de la materia; está en el alimento que comemos y la recibimos a través de la digestión. Incluso la materia misma es energía condensada y embotellada, como se estableció en la célebre fórmula de Einstein, E=mc². Pero ahora empezaremos a estudiar la energía analizando el TRABAJO


Trabajo


En la última clase explicamos que los cambios en el movimiento de un objeto dependen tanto de la fuerza como de "Cuánto tiempo" actúa la fuerza. A la cantidad "fuerza X tiempo" la llamamos impulso. Sin embargo, no siempre "cuanto tiempo" equivale a tiempo.También puede significar distancia. Cuando se considera la expresión. Cuando se considera la expresión "Fuerza x distancia" se habla del trabajo.



Cuando levantamos una carga contra la gravedad terrestre, hacemos trabajo. Cuanto más pesada sea la carga, o cuanto más alto la levantemos, realizaremos mayor trabajo. Siempre que se efectúa trabajo vienen a colación dos cuestiones: 
  1. La aplicación de una fuerza
  2. El movimiento de algo debido a esa fuerza.
Si subimos un piso con dos cargas, hacemos el doble de trabajo que si lo subimos solo con una, porque la fuerza necesaria para subir el doble de peso es el doble también. Asimismo, si subimos dos pisos con una carga, en vez de un piso, hacemos el doble de trabajo porque la distancia es el doble.

Vemos que en la definición de trabajo intervienen tanto la fuerza como la distancia. Un atleta que sujeta sobre su cabeza unas pesas de 1000N no hace trabajo sobre las pesas. Se puede cansar de hacerlo, pero si las pesas no se mueven por la fuerza que él haga, no hace trabajo sobre las pesas. Se puede hacer trabajo sobre los músculos, los cuales es estiran y contraen, y ese trabajo es la fuerza por la distancia, en una escala biológica;  pero ese trabajo no se hace sobre las pesas. Sin embargo, el levantar las pesas es distinto. Cuando el atleta sube las pesas desde el piso, sí efectúa trabajo.



Por lo general, el trabajo cae en dos categorías. Una de éstas es el trabajo que se realiza contra otra fuerza. Cuando un arquero estira la cuerda del arco realiza trabajo contra las fuerzas elásticas de éste.
La otra categoría de trabajo es el que se efectúa para cambiar la rapidez de un objeto. Esta clase de trabajo se hace al acelerar o al desacelerar un automóvil. En ambas categorías, el trabajo implica una transferencia de energía.
En la unidad de medición del trabajo se combinan la unidad de fuerza, Newton con una unidad de distancia, metro; la unidad de trabajo es el N.m, que también se llama Joule (J). Se efectúa un joule de trabajo cuando se ejerce una fuerza de 1 Newton durante una distancia de 1 metro, como cuando levantas una manzana sobre tu cabeza.

Hagamos un ejercicio juntos:

Calcular cuanto trabajo se efectúa para correr 5 km con una botella llena de agua de 500 gramos

Primero lo que tenemos que hacer es pasar los gramos a kg para poder, luego multiplicarlo por 9.8 m/s² y calcular su peso:


Ahora que ya tenemos el peso, solo tenemos que multiplicarlo por la distancia, pero ésta tiene que estar en m:


Listo, ya calculamos el trabajo que ejercemos para correr 5km con una botella de medio litro de agua en la mano.



En la definición de trabajo no se dice cuánto tiempo se emplea para realizar el trabajo. Se efectúa la misma cantidad de trabajo al subir una carga por un tramo de escaleras si se camina o si se corre. Entonces ¿Por qué nos cansamos más al subir las escaleras apresuradamente, en unos cuantos segundos, que al subirlas durante algunos minutos?.
Para entender tal diferencia necesitamos hablar de una medida de qué tan rápido se hace el trabajo; es la POTENCIA. La potencia es igual a la cantidad de trabajo efectuado entre el tiempo en que se efectúa:


Un motor de gran potencia puede efectuar trabajo con rapidez. Un motor de automóvil que tenga el doble de potencia que otro o necesariamente produce el doble de trabajo ni hace que el automóvil avance al doble de velocidad que un motor con menos potencia. El doble de potencia quiere decir que podemos hacer la misma cantidad de trabajo en la mitad de tiempo, o el doble de trabajo en el mismo tiempo.

La unidad de potencia es joule por segundo (J/s), que también se llama Watt (en honor a James Watt, el ingeniero que desarrolló la maquina de vapor en el S XVIII). Un Watt (W)de potencia se ejerce cuando se realiza un trabajo de 1 joule en 1 segundo. En Estados Unidos se acostumbra evaluar los motores de combustión en caballos de fuerza; y los aparatos eléctricos en kilowatts. No obstante se puede usar cualquiera de las dos unidades. En el sistema métrico los automóviles se clasifican en kilowatts. (Un caballo de fuerza equivale a las tres cuartas partes de 1 kilowatt, por lo que un motor de 134 caballos de fuerza es de 100kW)

Calculemos la potencia del problema anterior, si la persona corre a 5km/h.

Primero hay que ver cuanto tardó en recorrer 5km/h, como corre a 5km/h entonces tardó 1h, para calcular la potencia, el tiempo debe estar en segundos, hacemos el pasaje:


Ahora que tenemos el tiempo solo calculamos la potencia con el trabajo que habíamos calculado antes:




Listo, ya calculamos la potencia, nuestra potencia. Algo muy divertido de hacer es calcular la potencia de cada uno, hagan la prueba, salgan a correr por una hora y vean cuanto corrieron con una botella de 1 litro de agua (pesa aproximadamente 1kg dependiendo del envase) y hagan las cuentas!

Energía mecánica


Cuando un arquero efectúa trabajo al tensar un arco, el arco tensado tiene la capacidad de realizar trabajo sobre la flecha. Cuando se hace trabajo para levantar el pesado pilón de un martinete, el pilón tiene la capacidad de efectuar trabajo sobre el objeto que golpea cuando cae. Cuando se efectúa trabajo al hacer un mecanismo de cuerda, la cuerda adquiere la capacidad de efectuar trabajo sobre los engranajes que impulsan un reloj, haciendo sonar una campana o una alarma.

En cada caso se ha adquirido algo que permite al objeto efectuar trabajo. Ese "algo" podría ser una compresión de átomos en el material de un objeto, una separación física de objetos que se atraen o un reacomodo de cargas eléctricos en las moléculas de una sustancia. Este "algo" que permite a un objeto efectuar trabajo es la energía. Al igual que el trabajo, la energía se expresa en joules.

Aparece en muchas formas, pero por ahora nos vamos a concentrar en las formas más comunes de energía mecánica, que es la forma de energía debida a la posición o el movimiento de algo. La energía mecánica puede estar en forma de energía potencial, de energía cinética o de la suma de ambas.


    About Ana Emilia de Orellana

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