3º MEDIO
ICA M É D A C A CIÓN A L E V I N E CURSO D
Física Nº5
GUINV3CBFSA07005V2
GUÍA ESTU
DIOS
Física
GUÍA DE ESTUDIO Nº 5
Guía 5: Trabajo, Potencia y Energía Mecánica OBJETIVOS: •
•
Utilizar las nociones cuantitativas básicas de:
-
trabajo mecánico
-
potencia mecánica
-
energía cinética
-
energía potencial gravitatoria
-
energía mecánica
Aplicar las leyes de conservación de la energía mecánica para explicar diversos fenómenos y sus aplicaciones en la resolución de problemas.
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2
¿Qué es la energía?
Para no centrarnos en un debate filosófico, la definición científica de energía es:
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Lo más probable es que hayas escuchado la célebre frase, “la energía no se crea ni se destruye solo se transforma”. Pero, ¿qué es la energía?
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1. Energía
LA CAPACIDAD PARA REALIZAR TRABAJO MECÁNICO.
1.1 Trabajo mecánico Si un cuerpo se mueve en línea recta, y sobre él se está ejerciendo una fuerza F , y además el → cuerpo se desplaza una distancia ΔX , el trabajo mecánico simbolizado por W , es: →
W = F ⋅ Δx Tanto la energía como trabajo mecánico tienen como unidad de medida en el S.I. el Joule. 1 joule = 1 Newton ⋅ 1 metro Es importante destacar que el trabajo mecánico depende del sentido y magnitud de la fuerza y el movimiento. Vamos a estudiar tres casos, todos ellos para una fuerza constante.
a.
Si la fuerza va en el mismo sentido del desplazamiento, entonces el trabajo es positivo. W= F ⋅D Movimiento
Movimiento F D
x1
b.
F
x2
Si la fuerza va en el sentido contrario del movimiento, entonces el trabajo es negativo. W=−F⋅D Movimiento
Movimiento F D
x1
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x2
F
3
Física
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c.
Si la fuerza es perpendicular al movimiento, entonces el trabajo es cero. W=0
F
F Movimiento
Movimiento
x1
D
x2
Note que la definición de energía está asociada a una fuerza.
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Ejercicios
4
1.
Si sobre una mesa horizontal se encuentra una caja sobre la cual se ejerce una fuerza de magnitud 10 (N), entonces el trabajo realizado por la fuerza sabiendo que esta se está ejerciendo en el mismo sentido que el movimiento y que el cuerpo se desplazó 3 (m) es
A)
30 (Nm)
B)
-30 (Nm)
C)
3,3 (Nm)
D)
-3,3 (Nm)
E)
13 (Nm)
A)
0 (Nm)
B)
15 (Nm)
C)
-15 (Nm)
D)
60 (Nm)
E)
-60 (Nm)
3.
¿Qué trabajo realiza un abogado que camina por la vereda y lleva su maletín cuyo peso tiene una magnitud de 50 (N) y se desplaza 4 (m)?
A)
200 (Nm)
B)
-200 (Nm)
C)
12,5 (Nm)
D)
-12,5 (Nm)
E)
0 (Nm)
4.
El desplazamiento de un objeto que se mueve en línea recta y sobre el cual se ejerce un trabajo de -350 (J) cuya fuerza asociada es de magnitud 70 (N) es
A)
2450 (m)
B)
-2450 (m)
C)
-5 (m)
D)
5 (m)
E)
0 (m)
Física
¿Qué trabajo realiza Juan si levanta 0,5 (m) una bolsa con pan cuyo peso tiene una magnitud de 30 (N)?
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2.
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Física
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1.2 Potencia mecánica La potencia mecánica P es la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo, es decir, mientras mayor trabajo se realice en un determinado tiempo, mayor será la potencia. P= W Δt La unidad de medida de la potencia en el S.I. es el watt: 1 Watt = 1 Joule 1 segundo
Ejercicios
5. A) B) C) D)
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E)
6
Una grúa levanta 1000 (N) de ladrillos desde el suelo hasta una altura de 220 (m) en 8 segundos. La potencia mecánica asociada a la grúa es 36,4 (Watt) 27500 (Watt) 1,76 (Watt) 1760000 (Watt) 0,57 (Watt)
6.
¿Cuál es la potencia mecánica de un futbolista si puede correr arrastrando neumáticos de 250 (N) con una rapidez de 0,5 (m/s)?
7.
La potencia mecánica de un ascensor es de 10500 (W). Si sube 5 pisos en 20 segundos, ¿cuál es la fuerza que lleva? (cada piso son 3 metros).
Ciertamente habrás escuchado que existen diversos tipos de energía tales como la energía eólica, o energía eléctrica producida gracias a las centrales hidroeléctricas. Pero la energía eólica es energía del movimiento o energía cinética, y las centrales hidroeléctricas producen energía gracias a la energía potencial gravitatoria que posee el agua.
Física
Como ya conocemos la definición científica de energía, nos centraremos a estudiar los tipos de energía mecánica.
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1.3 Tipos de energía
Por lo tanto estudiaremos solo los dos tipos de energía que se estudian en mecánica: Energía cinética y Energía potencial.
1.3.1 Energía cinética Es la energía que posee un cuerpo en movimiento, depende de la masa del cuerpo y la rapidez que este posea, es decir. Ek = 1 ⋅ m ⋅ v2 2
Ek = Energía cinética m = masa del cuerpo v = rapidez del cuerpo
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Cpech
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Ejercicios
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8.
Calcule la energía cinética que tiene una persona que corre una maratón, sabiendo que masa 65 (kg) y lleva una rapidez de 3 (m/s).
A)
195 (J)
B)
21,7 (J)
C)
97,5 (J)
D)
292,5 (J)
E)
585 (J)
9.
Si María tiene una masa de 50 (kg) y lleva una rapidez de 4 (m/s) y Manuel tiene una masa de 100 (kg) y lleva una rapidez de 3 (m/s), ¿cuál(es) alternativa(s) es (son) correcta(s)?
I.
María posee mayor energía cinética.
II.
La diferencia positiva entre sus energías cinéticas es de 50 (J).
III.
Si Manuel aumentara su velocidad al doble, entonces su energía cinética también aumentaría al doble.
A)
Solo I
B)
Solo II
C)
Solo III
D)
II y III
E)
I y III
11.
Si la energía cinética de un cuerpo es X, ¿en cuánto debo aumentar su velocidad si deseo que la energía cinética aumente al cuádruple?
Física
Si un auto tiene una masa de 1500 (kg) y lleva una rapidez de 1,5 (m/s), ¿a qué velocidad debería ir una persona en bicicleta para tener la misma energía cinética del auto sabiendo que la persona tiene una masa 80 (kg) y la bicicleta 20 (kg)?
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10.
1.3.2 Energía potencial gravitatoria Es la energía que posee un cuerpo que está sometido a un campo gravitatorio y que acelera al cuerpo con una gravedad g . La ecuación que define esta relación es: Ep = m ⋅ g ⋅ h
Ep = energía potencial gravitatoria m = masa de un cuerpo g = gravedad h = altura del cuerpo m h TIERRA
g
Cpech 9
Física
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Ejercicios 12.
¿Cuánta energía potencial gravitatoria tiene un avión de masa 10.000 (kg) que viaja a 5 (km) de altura?
A)
5x108 (J)
B)
5x104 (J)
C)
2000 (J)
D)
2 (J)
E)
0 (J)
13.
Un macetero tiene una energía potencial gravitatoria de 60 (J), si la masa del macetero es de 3 (kg), ¿a qué altura se encuentra?
A)
180 (m)
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B)
10
0,05 (m)
C)
20 (m)
D)
2 (m)
E)
63 (m)
14.
Una niña realiza un trabajo de 450 (J) para subirse a una escalera de 1,5 (m) ¿Cuál es la masa de la niña?
15.
Una pelota de tenis de masa 0,25 (kg) tiene una rapidez de 3 (m/s). ¿A qué altura debería estar una pelota de las mismas características para que su energía potencial gravitatoria sea igual a la de la pelota en movimiento?
La suma de estas energías se denomina energía mecánica la cual se conservará a menos que exista algo que la disipe como por ejemplo el roce.
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Si un cuerpo de masa m se está moviendo con cierta velocidad v y además se encuentra a cierta altura h de la un campo gravitatorio de gravedad g, entonces ese cuerpo tendrá tanto energía cinética como energía potencial gravitatoria.
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1.3.3 Energía mecánica y su conservación
En esta ocasión atenderemos a las situaciones donde la energía mecánica se conserva, es decir, en cualquier instante de tiempo: EM = Ek + Ep
Energía potencial
Energía potencial
Energía cinética
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Física
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Ejercicios
16.
Una pelota de masa 1 (kg) se deja caer desde un edificio de 10 (m) de altura:
A
h
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B
12
a.
Calcula la energía mecánica antes de ser soltada la pelota.
b.
Calcula la energía mecánica cuando la pelota llega al suelo.
c.
¿Cuál es la velocidad de la pelota al llegar al suelo?
d.
¿Cuál es la energía mecánica en la mitad del viaje?
e.
¿Cuál es la energía potencial a la mitad del viaje?
f.
¿Cuál es la velocidad de la pelota a la mitad del viaje?
g.
¿A qué altura la energía cinética es el doble de la energía mecánica?
A)
6 (J)
B)
12 (J)
C)
20 (J)
D)
60 (J)
E)
120 (J)
18.
Un cuerpo de masa 6(kg) se deja caer libremente, si la magnitud de la aceleración de gravedad es 10(m/s2) y en un punto A de su trayectoria tiene una energía potencial gravitatoria de 120(J), ¿a qué altura se encuentra el punto A?
A)
2 (m)
B)
6 (m)
C)
10 (m)
D)
12 (m)
E)
60 (m)
Física
Sobre un carro de masa 2(kg), que se encuentra en un plano horizontal, se aplica una fuerza paralela al suelo de magnitud 6(N), producto de lo cual el carro se desplaza horizontalmente 10(m). ¿Cuál es el trabajo realizado por la fuerza aplicada sobre el carro?
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17.
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14
19.
Un cuerpo de masa 2(kg) se lanza verticalmente hacia arriba desde una altura de 3(m), ¿cuál es la energía cinética que tiene el cuerpo en el punto más alto?
A)
0 (J)
B)
2 (J)
C)
3 (J)
D)
6 (J)
E)
60 (J)
20.
Una esfera de masa 1(kg) se mueve con una rapidez de 6(m/s), si la esfera se encuentra a una altura de 2(m) y la magnitud de la aceleración de gravedad es 10 (m/s2), ¿cuál es su energía mecánica?
A)
18 (J)
B)
20(J)
C)
36 (J)
D)
38 (J)
E)
56 (J)
¿Estás de acuerdo con que la energía no se crea ni se destruye sino que solo se transforma?
•
¿Qué sucede con la energía potencial gravitatoria que posee un objeto que cae libremente?
•
¿Qué sucede con la energía cinética de un auto que frena?
Física
•
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Preguntas de síntesis
Tabla de respuestas CLAVES Alternativa Correcta
1
A
2
C
3
E
4
C
5
B
8
D
9
B
12
A
13
D
17
D
18
A
19
A
20
D
Cpech
N° Pregunta
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