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Trabajo, energía y potencia
Relacionar trabajo y cambio de energía. Resolver conservación de energía y calcular potencia.
Aprender este tema jugando →Lo que vas a aprender
- Relacionar trabajo y cambio de energía.
- Resolver conservación de energía y calcular potencia.
Las ideas, paso a paso
Desde cero: energía transferida por una fuerza
Una fuerza realiza trabajo cuando contribuye al desplazamiento: W = Fd cos θ para fuerza constante. El trabajo puede ser positivo, negativo o cero; se mide en joules, equivalentes a N·m.
La energía cinética K = mv²/2 depende del cuadrado de la rapidez. El teorema trabajo-energía establece que el trabajo neto es ΔK. Una fuerza puede existir sin realizar trabajo sobre un cuerpo si es perpendicular a su desplazamiento.
Aplicación: energía potencial y conservación
Cerca de la superficie terrestre, el cambio de energía potencial gravitatoria es mgΔh. Su cero de referencia es elegible: lo relevante para un proceso es la diferencia de altura.
Si solo trabajan fuerzas conservativas, K + U permanece constante. Con fricción, parte de la energía mecánica se transforma en energía interna; la energía total sigue conservándose. El resorte ideal almacena U = kx²/2.
Reto: potencia y rendimiento
La potencia media mide la rapidez de transferencia de energía: P = W/Δt. Un watt equivale a un joule por segundo. Hacer el mismo trabajo en menos tiempo requiere mayor potencia media.
El rendimiento energético es energía útil dividida entre energía suministrada. En dispositivos reales una parte se dispersa como calor u otras transferencias. Un rendimiento de 80 % equivale a 0.80, no a 80 al calcular.
Ejemplos resueltos
Sigue el razonamiento
Una fuerza horizontal de 8 N empuja una caja 3 m en su misma dirección y sin otras fuerzas que realicen trabajo. W = 8(3) = 24 J.
La energía cinética aumenta 24 J. Si la caja partía con 10 J, termina con 34 J: el trabajo es un cambio, no necesariamente la energía final.
Sigue el razonamiento
Una pelota de 1 kg cae 5 m desde el reposo, sin aire y con g = 10 m/s². Pierde 50 J de energía potencial y gana 50 J de cinética.
De mv²/2 = 50 resulta v² = 100 y v = 10 m/s. La rapidez final no se obtiene dividiendo energía entre masa sin sacar raíz.
Practica y revisa tu razonamiento
1. Una fuerza de 12 N actúa paralela a un desplazamiento de 2 m. ¿Qué trabajo realiza?
- 0 J
- 6 J
- 14 J
- 24 J
Ver respuesta y explicación
D. 24 J
- cos 0° = 1.
- W = 24 J.
A. Fuerza y desplazamiento sí están alineados.
B. Se dividió fuerza entre distancia.
C. Se sumaron magnitudes incompatibles.
D. W = Fd = 12(2).
2. Con g = 10 m/s², elevar 3 kg una altura de 2 m aumenta su energía potencial en:
- 30 J
- 15 J
- 60 J
- 6 J
Ver respuesta y explicación
C. 60 J
- ΔU = mgΔh.
- ΔU = 60 J.
A. Es el peso en N, no la energía.
B. Se dividió peso entre altura.
C. ΔU = 3(10)(2).
D. Se omitió g.
3. Un motor realiza 1200 J de trabajo en 4 s. ¿Cuál es su potencia media?
- 4800 W
- 300 W
- 1204 W
- 0.0033 W
Ver respuesta y explicación
B. 300 W
- P = W/t.
- 1200 J / 4 s = 300 W.
A. Se multiplicó energía por tiempo.
B. P = 1200/4.
C. No se pueden sumar joules y segundos.
D. Se invirtió el cociente.
Fuentes y alcance
Material original de apoyo para admisión. Los cursos se comparten entre universidades; la ficha de cada institución indica qué materias corresponden a su ruta y qué parte del temario está verificada.
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