ENERGÍA, TRABAJO Y P.C.E.M.

TRABAJO

• Definición:

En el lenguaje cotidiano se utiliza con frecuencia la palabra trabajo con varios significados poco precisos, relacionados con la fatiga que nos puede producir que con el hecho físico. Así, decimos que nos cuesta trabajo ponernos a estudiar o que resulta trabajoso estar de pie, etc. En Física se utiliza el término con un significado preciso que no tiene nada que ver: la palabra trabajo está relacionada con el intercambio de energía.

El trabajo se introdujo en la Física a finales del S XVIII en la revolución industrial para comparar las capacidades de dos máquinas. La capacidad de una máquina estaba relacionada con el peso que era capaz de subir (ej: carbón de una mina) y la altura a la que podía elevarlo. En aquella época se definió como el producto del peso por la altura.

Esa definición se puede generalizar a cualquier situación en la que se haga una fuerza que pueda desplazar a un cuerpo. Así, si queremos saber la capacidad de una máquina para arrastrar cuerpos, convendría saber qué fuerza es capaz de hacer y la distancia que ha arrastrado al cuerpo.

Energía intercambiada = Trabajo = Fuerza . Distancia recorrida

∆E = W = F. ∆x

Por tanto, en Física solo decimos que existe trabajo cuando actúa una fuerza y se provoca un desplazamiento por acción de esa fuerza. Por ejemplo, solo se realiza trabajo físico si un chico arrastra una maleta, no cuando camina con una mochila cargada a su espalda.

Matemáticamente, se calcula multiplicando el módulo del vector fuerza por el desplazamiento.

• En el S.I. el trabajo se mide en Julios (J) 1 J = 1 N. m = 1 kg m2/s2   (unidades de energía)
• 1 J es el trabajo que se produce cuando sobre un cuerpo (o sistema material) actúa una fuerza de un newton (N) y le provoca un desplazamiento de un metro (m) en la dirección y sentido de la fuerza.
• Aparece el coseno porque es necesario informar sobre el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento.
• Casos en los que W = 0. (1) Si el ángulo es 90^o, (2) si no se produce desplazamiento o (3) si no hay una fuerza actuando (F = 0).

• Distinguimos:

- El trabajo de la fuerza rozamiento (fuerza disipativa) es negativo. ¿Por qué es negativo? Es negativo porque las fuerzas de fricción son fuerzas disipativas y "extraen" energía del cuerpo o sistema. Matemáticamente, tiene signo negativo (el sentido físico es porque es contraria al movimiento) W_roz= F_roz.∆x. cos180^o

- El trabajo modifica la energía cinética de un cuerpo. W_F = ∆Ec

- El trabajo modifica la energía potencial de un cuerpo W_F = ∆Ep

Cuando sobre un cuerpo actúa una fuerza que provoca cambios en su velocidad o en su posición, el trabajo de esa fuerza es igual a la variación de energía mecánica que experimenta el cuerpo. 

W_F = ∆E_M

• Principio de conservación de energía mecánica: Si la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es su propio peso (fuerza conservativa), su energía mecánica se mantiene constante. Pero si existe rozamiento, la energía se degrada en forma de calor y la energía mecánica del sistema no se conserva. (Por tanto, para que la energía se conserve habría que sumarle el trabajo de la fuerza de rozamiento que representa la energía disipada).

• Ideas claras:

• El trabajo es otra forma de medir la energía intercambiada entre dos sistemas. Su unidad es la misma que la de energía, es decir, el JULIO.
• El trabajo no es una forma de energía igual que lo puede ser la energía cinética o la potencial gravitatoria. Un cuerpo puede tener energía cinética o potencial, pero no tener trabajo.
• Al actuar sobre un sistema podemos darle o podemos quitarle energía. Cuando las fuerzas están dirigidas en el mismo sentido en el que se produce desplazamiento contribuyen a aumentar la energía cinética del cuerpo sobre el que se aplican y decimos que hacen un trabajo positivo. Sin embargo, las fuerzas dirigidas en sentido contrario al del movimiento, como es el caso del trabajo de la fuerza de rozamiento, disminuyen la energía del sistema: decimos que hacen un trabajo negativo.

W > 0 → Aumenta la energía del sistema 

 W < 0 → Disminuye la energía del sistema

• Hay que distinguir claramente entre trabajo y fuerza. Para que haya trabajo se necesita que exista una fuerza y que además desplace el punto de aplicación de dicha fuerza. Cuando un cuerpo cuelga de una cuerda, la cuerda tiene que hacer una fuerza para contrarrestar el peso del cuerpo. Pero mientras que no haya desplazamiento, no hay trabajo, ya que no hay transferencia alguna de energía. Es un ejemplo en el que hay fuerza y no se realiza trabajo.

(INTERESANTE, A PARTIR DEL PRIMER MÍNUTO, 1:10)

LA ENERGÍA es una propiedad de los cuerpos/sistemas materiales que les permite producir cambios. En el Sistema Internacional la energía se mide en julios (J). Para algunos tipos de energía se utilizan otras unidades, p. ej., el calor se mide en calorías (cal).

1J = 0,24 cal;    1 cal = 4,18 J;   1 kcal = 1 000 cal

* 1 J es la energía que tiene un cuerpo de 1 kg que se mueve a una velocidad de 1 m/s.
* 1 cal es la cantidad de energía necesaria para elevar la temperatura de 1g de agua 1 ^oC.

• Tipos de energía:

A. Energía mecánica (E_M): Es la energía ligada a la posición y al movimiento de los cuerpos. La energía mecánica de un cuerpo es la suma de su energía cinética (E_c) y su energía potencial (E_p)

E_M = E_c + E_p

a) La energía cinética es la energía que tienen los cuerpos por el hecho de estar en movimiento. Su valor depende de la masa del cuerpo (m) y de su velocidad (v):

E_c= 1/2 m. v²

b) La energía potencial es la energía que tienen los cuerpos por ocupar una determinada posición. Hablamos, entre otras, de:

    b1) Energía potencial gravitatoría (E_pg) es la energía que tienen los cuerpos por estar en un determinado lugar sobre el suelo terrestre. Su valor depende de la masa del cuerpo, del valor de g en el lugar y de la altitud. Consideramos que Epg = 0 en la superficie terrestre.

E_p = m.g.h

    b2) Energía potencial elástica es la energía que tienen los cuerpos que sufren una deformación. Su valor depende de la constante de elasticidad del cuerpo, k y de lo que se a deformado (x).

         
  E_E= 1/2 k.x²

B. Energía térmica (calor): Es la energía que se transfiere cuando se ponen en contacto cuerpos que están a distinta temperatura.

C. Energía química: Es la energía debida a los enlaces que se establecen entre los átomos y demás partículas que forman una sustancia.

D. Energía nuclear: Es la energía que emiten los átomos cuando sus átomos se rompen (energía de fisión) o se unen (energía de fusión).

E. Energía radiante: Es la energía que se propaga mediante ondas electromagnéticas, como la luz. Ej.: los rayos X (R-X), las microondas, los rayos ultravioleta (R-UV), etc.

• Propiedades de la energía:

- La energía se transfiere de unos cuerpos a otros. De forma mecánica (mediante la realización de un trabajo) y de forma térmica (mediante el intercambio de calor).

- La energía se puede almacenar (pilas, acumuladores) y transportar (tendido eléctrico).

- La energía se transforma (Ec ↔ Ep).

- La energía se degrada, En una transformación, parte de la energía puede formar parte de su energía interna del propio cuerpo o se pierde en forma de energía térmica o calor.

- En cada transformación, la energía total se conserva. Si incluimos, claro, la energía que se degrada (energía que se pierde y que no se puede recuperar).

• Principio de conservación de la energía mecánica:

Si la única fuerza que realiza trabajo sobre un cuerpo es su propio peso, su energía mecánica se mantiene constante. En  niveles superiores diremos: "si no existen fuerzas disipativas, la energía mecánica se conserva".

Es decir: ⛰E_M = 0

E_MA = E_MB → E_CA + E_PA = E_CB + E_PB

VIDEO: Sobre la energía mecánica.

IMPORTANTE: El P.C.E (Principio de Conservación de la Energía) se cumple siempre, en el Universo la energía permanece constante. El PCEM, no (solo si no existen fuerzas disipativas).

VIDEO: Experimento Conservación Energía Mecánica.

MATERIAL COMPLEMENTARIO Y AUTOEVALUACIÓN: Aquí

ACTIVIDADES ON LINE: Aquí

Cálculo de energía mecánica (Ejemplo 2º ESO):

https://youtu.be/atXdOPHgquI

Aplicación del principio de conservación de la energía (PCEM) (Ejemplo 2º y 4º ESO):

https://youtu.be/7UnIZUE76mM

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POTENCIA

Cuando un máquina realiza un trabajo, no solo interesa la cantidad de energía, sino también el tiempo que tarda en hacerlo. Así, decimos que un coche es más potente si es capaz de pasar de 0 a 100 km/h de velocidad en menos segundos.

• Potencia: Es una magnitud física que relaciona el trabajo realizado con el tiempo que emplea para ello. P = W / t

- En el SI se mide en vatios (W). Un vatio es la potencia de una máquina que puede realizar un trabajo de un julio en un segundo (1 W = 1 J/ 1 s). Un kilovatio (kW) son 1000 W
- Otras unidades de potencia son:

- Los caballos de vapor: 1 CV = 736 W
- El kWh es una unidad de trabajo o de energía que equivale a 3600 kJ;
1 kWh = 103 W. 3600S = 3600.103 J = 3600 kJ

• Las máquinas mecánicas son dispositivos que transforman una energía o un trabajo en otro que resulte más provechoso.

Se llama rendimiento de una máquina (η) a la relación entre trabajo útil que se obtiene y el trabajo aplicado o motor. Habitualmente se expresa en porcentaje.

η = (Wútil/Wmotor) . 100 = (P_útil/P_teórica). 100

LAS FUENTES DE ENERGÍA

• Una fuente de energía es cualquier material o recurso natural del cual se puede obtener energía, bien para utilizarla directamente o bien para transformarla en otra energía más cómoda.

• Clasificación:

1. No renovables: Si se encuentran de forma limitada en la naturaleza y se consumen a un ritmo mayor del que se producen por lo que acabarán agotándose. Ej: combustibles fósiles (petróleo, carbón, gas natural) y energía nuclear.
   Renovables: Se recuperan tras utilizarse. No se agotan. Ej: Energía hidráulica, eólica, solar, geotérmica, mareomotriz, de la biomasa y biocombustibles (bioetanol, biodiésel).
2. Contaminantes: al utilizarlas producen residuos contaminantes (combustibles fósiles)
   Limpias: Al utilizarlas no generan residuos contaminantes, suelen coincidir con las renovables, no obstante, muchas instalaciones producen un gran impacto ambiental (hidráulica, eólica, solar).
3. Por su uso se clasifican en convencionales (combustibles fósiles) o alternativas (las renovables).

• Aprovechamiento de las fuentes de energía: La mayoría no se utilizan directamente sino que se transforman en energía eléctrica, más fácil de transportar y utilizar.

Ejemplo 1: Combustibles fósiles. La energía acumulada en los enlaces químicos (E. Química) se libera en la combustión y se emplea en calentar agua. El vapor de agua pasa a mover una turbina. El movimiento de la turbina se transmite a un generador que produce energía eléctrica.

Energías implicadas: Química → Térmica → Cinética → Eléctrica

Ejemplo 2: La energía potencial del agua embalsada se aprovecha para hacer girar turbinas a su paso. Un generador transforma esta energía mecánica en eléctrica.

Energías implicadas: Potencial → Cinética → Eléctrica

Las claves en ÓPTICA GEOMÉTRICA

 

ÓPTICA GEOMÉTRICA: CONCEPTOS PREVIOS

ÓPTICA GEOMÉTRICA: ESPEJOS

ÓPTICA GEOMÉTRICA: LENTES DELGADAS

ÓPTICA GEOMÉTRICA: LABORATORIO VIRTUAL

Estructura atómica - Enlaces repaso y refuerzo

 Enlaces para repasar contenidos básicos sobre la ESTRUCTURA ATÓMICA.

1. Para repasar la estructura atómica (basado en el modelo de Rutherford y Bohr)

La opción GAME es muy buena para repasar cómo se distribuyen los electrones según el modelo de capas del átomo. Puedes practicar magnitudes atómicas A, Z, N, .... 

PULSA AQUÍ

2.  Para aprender a realizar configuraciones electrónicas (o cómo se distribuyen los electrones alrededor del núcleo)

Nivel 1.  Relaciona las configuraciones con el Sistema Periódico.

Nivel 2  Incluye configuración electrónica "orbital"

3. Vídeo para visualizar cómo se mueven los electrones alrededor del núcleo (aparecen orbitales)

PULSA AQUI 

4. Orbitales atómicos y números cuánticos

PULSA AQUI

Otro video sobre números cuánticos

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Prueba Química PEvAU Andalucía Junio 2021

 

Prueba Física PEvAU Andalucía Junio 2021

 

Aquí está el ejercicio 1 resuelto.

 Entiendo que nos piden la relación entre alturas h1/h2 y la relación entre velocidades v1/v3. La clave está en que la Ec1=Ep1

- Entiendo que valorarán positivamente enunciar el principio de conservación de la energía mecánica (P.C.E.M.) y explicar las transferencias energéticas.

- Hay que realizar un análisis energético y vigilar el uso del subíndices. 

- El apartado b) se realizará por energía y hay que explicar el significado físico del trabajo de rozamiento.

- Queda más formal si operamos con letras y sustituimos letras al final.👌

Física nuclear: Mapa conceptual

 En plena revolución digital... Nunca está de más un mapa conceptual manuscrito. 

Óptica Física Geométrica

La óptica geométrica u óptica física es la parte de la física basada en las leyes de Snell y que explica la formación de imágenes en instrumentos ópticos, incluido el ojo humano.

Adjunto videos en los que se desarrolla el tema.

Lista de reproducción

Experiencias caseras de electromagnetismo

 Comparto un vídeo muy interesante del canal "IDEAS en 5 minutos" en el que con unas pilas y algunos objetos metálicos podéis experimentar con el electromagnetismo.

Enlace aquí

¿Cómo medirías la altura de un edificio usando un barómetro?

A veces comento en clase sobre cómo, aparte de seguir un procedimiento en la resolución de problemas en Física, la creatividad es una vía bastante insólita y, muchas veces, acertada:

¿Cómo medirías la altura de un edificio con un barómetro?

Sir Ernest Rutherford, presidente de la Sociedad Real Británica y Premio Nobel de Química en 1908, contaba la siguiente anécdota:

Hace algún tiempo, recibí la llamada de un colega. Estaba a punto de ponerle un cero a un estudiante por la respuesta que había dado en un problema de física, pese a que éste afirmaba convencidísimo que su respuesta era absolutamente acertada.

Profesores y estudiantes acordaron pedir arbitraje de alguien imparcial y fui elegido yo.

Leí la pregunta del examen y decía: ¿Qué haría usted para determinar la altura de un edificio con la ayuda de un barómetro?

El estudiante había respondido: ‘Lleve el barómetro a la azotea del edificio y átele una cuerda muy larga. Descuélguelo hasta la base del edificio, marque y mida. La longitud de la cuerda es igual a la longitud del edificio’.

Realmente, el estudiante había planteado un serio problema con la resolución del ejercicio, porque había respondido a la pregunta, correcta y completamente.

Por otro lado, si se le concedía la máxima puntuación, podría alterar el promedio de su año de estudios, obtener una nota más alta y así certificar su alto nivel en física; pero la respuesta no confirmaba que el estudiante tuviera ese nivel.

Sugerí que se le diera al alumno otra oportunidad. Le concedí seis minutos para que me respondiera la misma pregunta, pero esta vez con la advertencia de que en la respuesta debía demostrar sus conocimientos de física.

Habían pasado cinco minutos y el estudiante no había escrito nada.

Le pregunté si deseaba marcharse, pero me contestó que tenía muchas respuestas al problema. Su dificultad era elegir la mejor de todas.

Me excusé por interrumpirlo y le rogué que continuara. En el minuto que le quedaba escribió la siguiente respuesta:

‘Agarre el barómetro y tírelo al suelo desde la azotea del edificio. Calcule el tiempo de caída con un cronómetro.

Después se aplica la fórmula:

Altura = 1/2.g.t2

(Donde g es la aceleración de la gravedad y t es el tiempo que uno acaba de calcular con el cronómetro)

‘Y así obtenemos la altura del edificio.

“En este punto le pregunté a mi colega si el estudiante se podía retirar. Le dio la nota más alta.”Tras abandonar el despacho, me reencontré con el estudiante y le pedí que me contara sus otras respuestas a la pregunta.

‘Bueno’, respondió, ‘hay muchas maneras. Por ejemplo, agarras el barómetro en un día soleado y mides la altura del barómetro y la longitud de su sombra.

Si medimos a continuación la longitud de la sombra del edificio y aplicamos una simple proporción, obtendremos también la altura del edificio.

“Perfecto, le dije, ¿y de otra manera? ‘Sí, contestó, éste es un procedimiento muy básico para medir un edificio, pero también sirve. En este método, agarras el barómetro y te sitúas en las escaleras del edificio en la planta baja. A medida que vas subiendo las escaleras, vas marcando la altura del barómetro y cuentas el número de marcas hasta la azotea. Multiplicas al final la altura del barómetro por el número de marcas que hiciste y ya tenés la altura. Este es un método muy directo.

Por supuesto, si lo que uno quiere es un procedimiento más sofisticado, puede atar el barómetro a una cuerda y moverlo como si fuera un péndulo. Si calculamos que cuando el barómetro está a la altura de la azotea la gravedad es cero (como bien sabes la gravedad no es cero sobre la superficie del planeta, se refiere a la velocidad...) y si tenemos en cuenta la medida de la aceleración de la gravedad al descender el barómetro en trayectoria circular al pasar por la perpendicular del edificio, de la diferencia de estos valores, y aplicando una sencilla formula trigonométrica, podríamos calcular, sin duda, la altura del edificio.

En este mismo estilo de sistema, atas el barómetro a una cuerda y lo descuelgas desde la azotea a la calle. Usándolo como un péndulo puedes calcular la altura midiendo su período. En fin, concluyo, existen otras muchas maneras.

Probablemente, la mejor sea tomar el barómetro y golpear con él la puerta de la casa del conserje. Cuando abra, decirle: señor conserje, aquí tengo un bonito barómetro. Si usted me dice la altura de este edificio, se lo regalo.

En este momento de la conversación, le pregunté si no conocía la respuesta convencional al problema (la diferencia de presión marcada por un barómetro en dos lugares diferentes nos proporciona la diferencia de altura entre ambos lugares).

Me dijo que sí, que evidentemente la conocía, pero que durante sus estudios, sus profesores habían intentado enseñarle a pensar.

El estudiante se llamaba Niels Bohr, físico danés, premio Nobel de Física en 1922, más conocido por su modelo atómico y su colaboración en la compresión de la mecánica cuántica.

Ernest Rutherford.       Niels Bohr.

Inducción electromagnética: Vídeos, simuladores e imágenes

 Comparto imágenes y vídeos explicativos que servirán para comprender mejor este importante fenómeno que ha permitido muchos desarrollos tecnológicos y el consiguiente avance social.

1. Recorrido histórico: El Universo Mecánico.

https://www.youtube.com/watch?v=-M_rExm6zAs

2. Ley de Faraday-Henry-Lenz.

 

 Applets:

 

Ley de Faraday-Henry 

Ley de Lenz

 

 

 

3. Aplicaciones: Generadores y alternadores. Motores.

Generador de corrientes inducidas

Motor de corriente continua.

 

 

 

 

CON EN ESTE BLOG... PUEDES VIAJAR AL PASADO

Conductores rectilíneos indefinidos: CAMPO MAGNÉTICO Y FUERZA MAGNÉTICA ENTRE CONDUCTORES.

 

 

 

 

Por un lado, CORRIENTES ELÉCTRICAS (cargas en movimiento) producen CAMPOS MAGNÉTICOS.

Por otro lado, CAMPOS MAGNÉTICOS EXTERNOS (o producidos por la corriente cercana de otro conductor) producen FUERZAS MAGNÉTICAS sobre cargas en movimiento.

He intentado aclarar este complejo campo del ELECTROMAGNETISMO, conductores y circuitos en una serie de vídeos explicativos de corta duración que podéis ver aquí:   Lista de reproducción

 

 

VÍDEO: "Cómo pasar de la expresión de la fuerza magnética para una carga en movimiento a la expresión de la fuerza magnética sobre un conductor rectilíneo e indefinido"

https://youtu.be/XthXgf4ZURA

 

 VÍDEO: "Anulación campo magnético entre conductores"

https://youtu.be/N4jbRbsCTOY

https://youtu.be/_2FsPPi-NGw

VÍDEO: "Cálculo de fuerza magnética entre conductores". Primero de una serie de vídeos donde analizaremos distintas situaciones.

https://youtu.be/vK7XYDraaHg

https://youtu.be/uddwkZx2Fjc

Movimiento Circular Uniforme

- Su trayectoria es una circunferencia.

- Su velocidad es constante

¿Cómo estudiarías el movimiento de una noria?

a) midiendo el ángulo girado.
b)el arco de circunferencia recorrido en un intervalo de tiempo.

 

        

   Es más sencillo medir el ángulo girado en un intervalo de tiempo que el arco recorrido (espacio). Se  define la velocidad angular (ω) como la rapidez con que se describe el ángulo (φ) o el ángulo descrito por unidad de tiempo.

Como habrás observado el MCU se describe con magnitudes angulares, no lineales;

1. Ángulo descrito o girado
2. Velocidad angular
3. Aceleración (normal o centrípeta)

En una circunferencia se describe un radián como aquel ángulo cuyo arco es igual al radio.

 *El período se mide en Hz o s^-1

   Al ser un movimiento uniforme la velocidad (lineal o tangencial, v) siempre es la misma, pero el vector va cambiando de dirección. Para distinguirla de la aceleración que siempre has estudiado (la aceleración tangencial at) a esta aceleración se le denomina aceleración normal o centrípeta (an o ac).

Visita: Experimenta y aprende

 FUERZA CENTRÍPETA: La fuerza centrípeta (dirigida hacia el centro) es la causante aceleración centrípeta que sufre un cuerpo en movimiento circular. La resultante de todas las fuerzas que actúan sobre el móvil es la Fuerza centrípeta, Fc. 

F=m.a (Segunda ley de Newton)   = m. ac

F=Fc

F_C = fuerza centrípeta
m = masa de la partícula
V = velocidad lineal
R = radio de la circunferencia
T = periodo
f = frecuencia
ω = velocidad angular

Es la misma fuerza que posibilita que un vehículo tome las curvas sin salirse de la carretera:

EJERCICIOS: 

1) Un disco gira a 300 rpm, sobre él hay dos cuerpos, uno que gira a 1 cm del centro del disco y otro a 2 cm, responde:

 a) ¿Cuál gira con más velocidad angular y cual con más velocidad lineal? 

 b) Calcula el período y la frecuencia de este movimiento.

2) Un ejemplo PEvAU: