UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE D E MAYOLO” MAYOLO” FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA AGRICOLA TRABAJO MONOGRÁFICO CURSO: FÍSICA 1 DOCENTE: ALVARES CASTILLO SEGUNDO ALUMNO: CORDOVA POMA LENIN CODIGO: 141.0304.358 TEMA: TRABAJO Y ENERGÍA MECANICA APLICADA A LA INGENIERÍA FECHA: DICIEMBRE DEL 2015
HUARAZ – HUARAZ – ANCASH ANCASH 2015
INTRODUCCIÓN La energía es una propiedad que está relacionada con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. La forma de energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo. Ambos conceptos permiten estudiar el movimiento de los cuerpos de forma más sencilla que usando términos de f uerza y constituyen, por ello, elementos clave en la descripción de los sistemas físicos. Las nociones de trabajo y energía por intervenir en todas las partes del estudio de la física se consideran como los conceptos más trascendentales de que se ocupa esta ciencia. El concepto físico de trabajo difiere fundamentalmente de la idea común que de él se tiene. En el lenguaje popular o corriente la expresión trabajo se aplica a cualquier esfuerzo físico o mental que se hace en orden a producir un determinado resultado. Así por ejemplo, cuando cuando una persona intenta levantar una piedra sin sin lograrlo, se dice que ha trabajado mucho y a los estudiantes se les oye decir: me costó mucho trabajo leer la lección de geografía. En toda idea de trabajo intervienen siempre como elementos una fuerza, un cuerpo, o punto material aquí se aplica y un efecto obtenido que se manifiesta por un desplazamiento del punto punto o cuerpo en la dirección de la fuerza aplicada; son efectos de trabajo mecánico: empujar una nevera para cambiarla de sitio, levantar un ladrillo para colocarlo sobre una mesa, arrastrar una caja, etc... Noción suele decirse que hay trabajo, siempre que una fuerza produce algún movimiento; siempre que se desplaza el punto de aplicación de alguna fuerza. Hay trabajo, cuando un obrero tira de un cable y levanta un bloque de piedra. No hay trabajo aunque si fuerza, cuando el bloque de piedra permanece colgado toda la noche.
ÍNDICE INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………. ÍNDICE………………………………………………………………………………… CAPITULO 1. TRABAJO MECÁNICO APLICADA A LA INGENIERÍA………… 1.1.
HISTORIA……………………………………………………………………..
1.2.
TRABAJO MECANICO………………………………………………………
1.2.1. IMPORTANCIA DEL ÁNGULO EN EL TRABAJO………………………. 1.2.2. POTENCIA DEL TRABAJO………………………………………………… 1.3.
LA INGENIERÍA MECÁNICA……………………………………………….
1.4.
SUS APLICACIONES……………………………………………………….
1.4.1. Molinos de viento……………………………………………………………. 1.4.2. Las montañas rusas………………………………………………………… 1.4.3. Los demoledores……………………………………………………………. 1.4.4. Vida cotidiana……………………………………………………………….. CAPITULO 2. ENERGIA MECANICA APLICADA ALA INGENIERÍA………… 2.1. QUE ES LA ENERGÍA MECÁNICA………………………………………… 2.2. TRANSFORMACIÓN Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA…………... 2.3. APLICASIONES EN LA INGENIERÍA……………………………………….
CAPITULO 1. TRABAJO MECÁNICO APLICADA A LA INGENIERÍA 1.5.
HISTORIA
Las aplicaciones de esta ingeniería se encuentran en los archivos de muchas sociedades antiguas de todo el mundo. En la antigua Grecia, las obras de Arquímedes (287 a. C.-212 a. C.) ha influido profundamente en la mecánica occidental y Heron de Alejandría (c. 10-70 d. C.), creó la primera máquina de vapor .1 En China, Zhang Heng (78-139 d. C.) mejora un reloj de agua e inventó un sismómetro, y Ma Jun (200-265 d. C.) inventó un carro con diferencial de engranajes. El ingeniero chino Su Song (1020-1101 d. C.) incorporó un mecanismo de escape en su torre del reloj astronómico dos siglos antes de que
cualquier
fuga
se
pudiese
encontrar
en
los
relojes
de
la Europa medieval, así como la primera cadena de transmisión.2 Durante los siglos VIII al XV, en la era llamada edad de oro islámica, se realizaron notables contribuciones de los musulmanes en el campo de la tecnología mecánica. Al Jazarí, quien fue uno de ellos, escribió su famoso "Libro del Conocimiento de ingeniosos dispositivos mecánicos" en 1206, en el cual presentó muchos diseños mecánicos. También es considerado el inventor de tales dispositivos mecánicos que ahora forman la base de mecanismos, tales como árboles de levas y cigüeñal.3 Un hito importante en la creación de la ingeniería mecánica sucedió en Inglaterra durante el siglo XVII cuando Sir Isaac Newton formuló las tres Leyes de Newton y desarrolló el cálculo. Newton fue reacio a publicar sus métodos y leyes por años, pero fue finalmente persuadido a hacerlo por sus colegas, tal como Sir Edmund Halley, para el beneficio de toda la humanidad.
1.6.
TRABAJO MECANICO
El concepto físico de trabajo va siempre unido a una fuerza que produce un desplazamiento. Es esta una magnitud física que no tiene un significado intuitivamente claro. En lugar de dar una definición del mismo vamos a indicar cómo se calcula. No podemos ver de momento la fórmula general del trabajo realizado por una fuerza, pues incluye conceptos matemáticos que todavía no se han estudiado, como el de integral curvilínea y producto escalar. Pero sí podemos dar las expresiones para el cálculo del trabajo en algunos casos particulares. Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esa fuerza efectúa un trabajo mecánico, el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía. En el S.I se mide en Joule y comúnmente se usa otra unidad llamada caloría, para referirse al trabajo mecánico. 1 Joule = 1 Newton · 1 metro = kg m²/s² 4,18 Joule = 1 Cal
Figura I
Figura 2 FUENTE: http://www.fisic.ch/cursos/segundo-medio/trabajo-mec%C3%A1nico-i/
Como se puede observar, cuando la fuerza no va paralela al desplazamiento, sólo realiza trabajo mecánico la componente de esa fuerza que está en dirección del vector desplazamiento, por ello en la ecuación aparece la función coseno, aplicada sobre el ángulo entre ellos. Específicamente, el trabajo es el producto punto entre la fuerza y el desplazamiento. 1.6.1. IMPORTANCIA DEL ÁNGULO EN EL TRABAJO
Como hemos visto, en la ecuación de trabajo, el último término es una función conseno aplicada a un ángulo. Este ángulo nos permitirá saber cuándo el trabajo es negativo, cuando es positivo y cuando es nulo. En el primer caso cuando el trabajo es positivo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo que va desde los 0° hasta los 89°, siendo máximo cuando la fuerza y el desplazamiento van en la misma dirección y sentido ( ángulo entre ellos 0, cos 0° =1) En el segundo caso cuando el trabajo es negativo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo mayor a 91° hasta los 180°, siendo máximo, pero de forma negativa cuando el ángulo es 180, pues cos 180°= -1 En el tercer caso cuando el trabajo es nulo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo de 90°, por lo que el cos 90° = 0, demostrando que el trabajo es cero.
FUENTE:http://www.fisic.ch/cursos/segundo-medio/trabajo-mec%C3%A1nico-i/
La niña de la imagen aplica sobre la carretilla una fuerzaF, constante, que mantiene un ángulo θ = 60º con respecto a la horizontal. Fy y Fx son las componentes rectangulares de F. De acuerdo al planteamiento del trabajo, sólo la componente de la fuerza que es paralela al desplazamiento realiza trabajo sobre la carretilla.
Por lo general no hay sólo una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico, para ello se calcula el trabajo hecho por cada fuerza y se suma de manera de obtener el trabajo neto. Wneto= WP+WN+WFR+WF 1.6.2. POTENCIA DEL TRABAJO La potencia se puede entender como la rapidez con la que se efectúa trabajo y se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. La potencia mecánica se simboliza con la letra P. P = W/Δt También la potencia la podemos expresar en término de la velocidad, para cuando la fuerza es constante P =F v Las unidades para la potencia en el S.I son el Watts, el cual se define como Joule/s, de esta manera las equivalencias de otras unidades con el Watts son: 1 kW= 1000 W 1 Hp=746 W
1.7.
LA INGENIERÍA MECÁNICA
Históricamente, esta rama de la ingeniería nació en respuesta a diferentes necesidades que fueron surgiendo en la sociedad. Se requería de nuevos dispositivos con funcionamientos complejos en su movimiento o que soportaran grandes cantidades de fuerza, por lo que fue necesario que esta nueva disciplina estudiara el movimiento y el equilibrio. También fue necesario encontrar una nueva manera de hacer funcionar las máquinas, ya que en un principio utilizaban fuerza humana o fuerza animal. La invención de máquinas que funcionan con energía proveniente del vapor, del carbón, de petroquímicos (como la gasolina) y de la electricidad trajo
grandes avances, dando origen a la Revolución Industrial a mediados del siglo XVIII. Más adelante surgiría la producción en serie. A principios del siglo XIX en Inglaterra, Alemania y Escocia, el desarrollo de herramientas de maquinaria llevó a desarrollar un campo dentro de la ingeniería en mecánica, suministro de máquinas de fabricación y de sus motores. 1.8.
SUS APLICACIONES Mucha gente tiene la idea de que es dedicada a la mecánica automotriz, y esto no puede estar más alejado de la realidad. En el estudio de la ingeniería mecánica se estudia la estática, dinámica, mecánica de materiales, mecánica de fluidos, fenómenos de transporte, diseño de elementos de máquinas, electricidad y magnetismo, matemáticas, instrumentación y control, plantas térmicas, etc.
Como puedes ver la ingeniería mecánica está enfocada, como su nombre nos invita deducir, al estudio de mecanismos, su funcionamiento y su posible aplicación en la vida diaria; desde unas tijeras hasta una grúa puente o una maquinaria gigantesca. Recuerda que la maquina más simple es la palanca, y aun esa tiene mucha física involucrada. Las aplicaciones del trabajo mecánico son muy amplios en la ingeniería, ya que estoy principios y leyes son muy usados en muchas obras de arte en la ingeniería, a continuación algunas obras de ingeniería basada en el trabajo mecánico.
1.8.1. Molinos de viento El molino de viento funciona cuando el viento mueve las aspas, haciendo girar un eje central que está conectado a un mecanismo adaptado para la tarea específica que realiza, una turbina para generar electricidad. Por lo tanto transforma la energía.
1.8.2. Las montañas rusas Las montañas rusas utilizan solo un motor en el inicio de su recorrido: para poder llegar hasta la altura indicada para luego iniciar la aventura. Luego, no se utiliza ningún mecanismo mecánico para ayudar a completar la trayectoria. Esto se debe a que el principio del funcionamiento de las montañas rusas se basa en la ley de la conservación de la energía. En este caso, dichas energías son la Energía cinética y Energía potencial. La energía cinética es aquella que está presente en todo movimiento, es la energía del movimiento.
1.8.3. Los demoledores Un objeto en movimiento, como esta bola para demolición de construcciones, procesa energía cinética, y por lo tanto, puede efectuar
trabajo. 1.8.4. Vida cotidiana Por lo general no hay sólo una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico, para ello se calcula el trabajo hecho por cada fuerza y se suma de manera de obtener el trabajo neto.
CAPITULO 2. ENERGIA MECANICA APLICADA ALA INGENIERÍA La energía es una propiedad que está relacionada con los cambios o procesos de transformación en la naturaleza. Sin energía ningún proceso físico, químico o biológico sería posible. La forma de energía asociada a las transformaciones de tipo mecánico se denomina energía mecánica y su transferencia de un cuerpo a otro recibe el nombre de trabajo. Ambos conceptos permiten estudiar el movimiento de los cuerpos de forma más sencilla que usando términos de fuerza y constituyen, por ello, elementos clave en la descripción de los sistemas físicos. El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámica como teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición y velocidad. Es posible, no obstante, describir la condición de un cuerpo en movimiento introduciendo una nueva magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante el concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una etapa avanzada del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de una forma por lo general más simple. En el lenguaje ordinario energía es sinónimo de fuerza; en el lenguaje científico, aunque están relacionados entre sí, ambos términos hacen referencia a conceptos diferentes. Algo semejante sucede con el concepto de trabajo, que en el lenguaje científico tiene un significado mucho más preciso que en el lenguaje corriente. El movimiento, el equilibrio y sus relaciones con las fuerzas y con la energía, define un amplio campo de estudio que se conoce con el nombre de mecánica. La mecánica engloba la cinemática o descripción del movimiento, la estática o estudio del equilibrio y la dinámica o explicación del movimiento. El enfoque en términos de trabajo y energía viene a cerrar, pues, una visión de conjunto de la mecánica como parte fundamental de la física.
2.1. QUE ES LA ENERGÍA MECÁNICA 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. Pues bien, existe algo que subyace a los cambios materiales y que indefectiblemente los acompaña; ese algo constituye lo que se entiende por energía. 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. Dicho en otros términos, todos los cambios materiales están asociados con una cierta cantidad de energía que se pone en juego, se cede o se recibe. Las sociedades industrializadas que se caracterizan precisamente por su intensa actividad transformadora de los productos naturales, de las materias primas y de sus derivados, requieren para ello grandes cantidades de energía, por lo que su costo y su disponibilidad constituyen cuestiones esenciales. 2.2. TRANSFORMACIÓN Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA La energía se puede presentar en formas diferentes, es decir, puede estar asociada a cambios materiales de diferente naturaleza. Así, se habla de energía química cuando la transformación afecta a la composición de las sustancias, de energía térmica cuando la transformación está asociada a fenómenos caloríficos, de energía nuclear cuando los cambios afectan a la composición de los núcleos atómicos, de energía luminosa cuando se trata de procesos en los que interviene la luz, etc. 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. Esta segunda característica de la energía constituye un principio físico muy general fundado en los resultados de la observación y la experimentación científica, que se conoce como principio de conservación de la energía. 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. Esto es lo que sucede en el universo, que en su conjunto puede ser considerado como un sistema aislado. Una descripción matemática de este principio puede efectuarse como sigue: sea S un sistema aislado, el cual tras un proceso de transformación interna pasa a convertirse en S'. Representando por E la energía total del sistema o suma de las cantidades correspondientes a las diferentes formas de energía presentes en él, la conservación de la energía se expresaría en la forma: E' = E (6.1) o también:
Es decir, la variación DE de la energía total E del sistema por efecto de su transformación interna ha sido nula. Si se considera que el sistema está formado sólo por dos partes o subsistemas 1 y 2, la aplicación del principio de conservación de la energía supondrá ahora: E'1 + E'2 = E1 + E2 o agrupando términos semejantes: E'1 - E1 = - (E'2 - E2)
Lo que expresa que la energía ganada DE por el subsistema 1 es igual a la perdida, - DE2, por el subsistema 2 sin que haya habido en conjunto variación alguna en la energía total del sistema. 2.3. APLICASIONES EN LA INGENIERÍA La energía mecánica es la energía que se destina para realizar un trabajo. Esta energía remite a muchas aplicaciones en las actividades económicas del hombre, circunstancia que da cuenta de la importancia de la misma. Dado el principio de la termodinámica que dice que la energía se transforma, la misma puede utilizarse para generar otras formas de energía para distintos usos y necesidades. Estas evaluaciones y consideraciones, de hecho, fueron desarrollados en el contexto de la revolución industrial, contexto en el que se hacía imperioso entender a estos fenómenos con la finalidad de que las máquinas empleadas fueran lo más eficientes posibles. Para dar cuenta de una aplicación concreta que la energía mecánica tiene, podemos remitir al molino de viento.
Esta construcción tiene una enorme cantidad de años, remitiéndose al menos a la Edad Media, pero pudiendo incluso existir en la antigüedad más remota.
En los mismos existe un uso de estos principios incluso antes de que se haya teorizado sobre los mismos. Así, el molino de viento toma la energía mecánica que genera el viento para utilizarla en la molienda de trigo y otros cultivos. Este artefacto fue de enorme relevancia porque permitió un aumento de la productividad en estos menesteres. Hoy en día, la energía mecánica puede utilizarse también para la generación de energía eléctrica. Luego, esta energía eléctrica puede transformarse nuevamente en energía mecánica en los artefactos que utilizamos cotidianamente. El motivo de estas sucesivas transformaciones es el hecho de poder realizar una distribución de energía en grandes cantidades a toda l a población. Una forma de transformar energía mecánica en eléctrica también se basa en algunos principios del molino de viento, se toma la energía que genera el viento y luego se la almacena. Existen regiones que son especialmente aptas para este tipo de aplicaciones por sus características ventosas. Otra forma de generar energía eléctrica a partir de energía mecánica remite a cuando se utiliza la fuerza del agua. Así, por ejemplo, en una central hidroeléctrica el agua se almacena y se la hace correr por pequeños desagüe, haciendo que al pasarla misma se muevan turbinas.
El niagara
También es posible utilizar a la fuerza que tiene las mareas para esta tarea. En cualquier caso, lo que sucede es que se utiliza la fuerza de distintos fenómenos naturales, es decir, la energía mecánica de los mismos, para transformar dicha energía en alguna de otro tipo, en este caso, en energía eléctrica. El procedimiento es harto beneficioso en una época en la que existen cada vez más requerimientos en este sentido.
CONCLUSIONES
Las aplicaciones de la energía mecánica son necesarias en la vida cotidiana y profesional.
Dichas aplicaciones se evidencian en grandes proyectos y maquinarias que facilitan la vida humana. .
La energía mecánica aprovecha las energías naturales y las convierte en energía útil para las actividades del ser humano.
Una de las formas de trasmisión es el trabajo mecánico. Para que un cuerpo realice trabajo mecánico es necesario que se desplace bajo la acción de fuerzas aplicadas en dirección del movimiento, es por ello que no realizas trabajo cuando caminas horizontalmente llevando un bolso en la mano, o una mochila a la espalda; tampoco hay trabajo, al mantener una pesada carga sobre tu cabeza.
Un mismo trabajo puede realizarse en diferentes intervalos de tiempo, al subir corriendo o caminando una escalera, el valor numérico del trabajo es igual.
RECOMENDACIONES
El joven de hoy debería aprovechar el tiempo en investigaciones, leyendo libros, siguiendo cursos con respecto al ámbito en donde se desenvolverá porque esta a la larga traerá y forjara para tener éxito.
Para tener más información y experimentar audiovisualmente entrar al YouTube y poner aplicación del trabajo mecánico en la ingeniería.
La investigación y la curiosidad de cada alumno, nos forjaran unos buenos líderes y por ende tener éxito en nuestras carreras.
BIBLIOGRAFÍA
Brodie, David; Brown, Wendy; Heslop, Nigel; Ireson, Gren; Williams, Peter (1998). Terry Parkin, ed. Physics. Addison Wesley Longman Limited. ISBN 0-582-27984-4.
The Book of Knowledge of Ingenious Mechanical Devices: Kitáb fí ma'rifat al-hiyal al-handasiyya. Springer. 1973. ISBN 9027703299.
http://www.fisic.ch/cursos/segundo-medio/trabajo-mec%C3%A1nico-i/
http://definicion.de/trabajo-mecanico/
https://www.fisicalab.com/apartado/trabajo-fisica
http://www.taringa.net/comunidades/comunidad-cep/5799379/Fisica-
basica-trabajo-mecanico.html
ANEXO Centrales para transformar energía.
La fuerza del viento (energía cinética) convertida en energía mecánica.
El trabajo mecánico
La energía mecánica y el trabajo mecánico aplicada en la ingeniería.
