Trabajo, energía y potencia

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.

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.

1. Una fuerza de 12 N actúa paralela a un desplazamiento de 2 m. ¿Qué trabajo realiza?

1. 0 J
2. 6 J
3. 14 J
4. 24 J

2. Con g = 10 m/s², elevar 3 kg una altura de 2 m aumenta su energía potencial en:

1. 30 J
2. 15 J
3. 60 J
4. 6 J

3. Un motor realiza 1200 J de trabajo en 4 s. ¿Cuál es su potencia media?

1. 4800 W
2. 300 W
3. 1204 W
4. 0.0033 W