I PARTE TEÓRIA. 1. Defina desde el punto de vista físico que es el trabajo. El trabajo es efectuado por una fuerza que actúa sobre un objeto cuando el punto de aplicación de esa fuerza se mueve alguna distancia y la fuerza tiene una componente a lo largo de la línea de movimiento. El trabajo W efectuado por un agente que ejerce una fuerza constante es el producto de la componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento desplazamiento y la l a magnitud del desplazamiento de la fuerza. W=Fs Cos Ø En general, una partícula puede moverse con velocidad constante o variable bajo la influencia de varias fuerzas. En ese caso, puesto que el trabajo es una cantidad escalar, el trabajo total realizado cuando la partícula experimenta algún desplazamiento es la suma algebraica de las cantidades de trabajo realizadas por cada una de las fuerza.
Fig #1 Trabajo realizado por una fuerza constante
2. Unidades en las cuales se expresa el trabajo. El trabajo es una cantidad escalar y sus unidades son fuerza multiplicada por longitud. En consecuencia, si la unidad SI del trabajo es el newton.metro (N.m). Otro nombre para el newton. Metro es Joule (J). La
unidad de trabajo en el sistema cgs es la dina.cm, también llamada erg; la unidad en el sistema inglés es el pie.libra. 1
UNIDADES DE TRABAJO EN TRES SISTEMAS DE MEDIDA COMUNES SISTEMA
UNIDAD
NOMBRE ALTERNATIVO
SI Newton.metro (N.m) Joule (J) Cgs Dina.centimetro (dina.cm) Erg Ingles Pie.libra (ft.lb) Pie.libra (ft.lb) Tabla #1 Unidades de trabajo en tres sistemas de medida comunes
3. Desde el punto de vista de física, que se entiende por Potencia. Cuando queremos conocer el tiempo durante el cual se efectúa el trabajo sobre un objeto estamos hablando de potencia, es por ello que podemos definir este termino como la tasa de tiempo en la cual se realiza el trabajo. Si una fuerza externa se aplica a un objeto (el cual suponemos, actúa como una partícula), y si el trabajo hecho por esta fuerza es W en el intervalo de tiempo Δ t,
entonces la potencia promedio durante este
intervalo se define como P= W Δt
El trabajo hecho sobre el objeto contribuye a aumentar la energía del objeto. Podemos definir de una forma más general el término potencia diciendo que es la tasa de transferencia de energía en el tiempo.
4. Desde el punto de vista de física, que se entiende por Energía. Los conceptos de energía y trabajo están estrechamente relacionados. Todo cuerpo que está en capacidad de realizar un trabajo transfiere energía. Sin embargo nos referimos a ella a través de sus diferentes tipos de manifestaciones, lo cual se relaciona con la transferencia de energía de un cuerpo a otro y su transformación. La transformación de energía de un 2
cuerpo a otro es en una parte esencial del estudio de la física. Cuando la energía cambia de una forma a otra su cantidad total permanece igual.
Tabla #2 Unidades de medidas de la energía
5. Explique los tipos de energía
Energía mecánica: Puede definirse como la forma de energía que se puede transformar en el trabajo mecánico de modo directo mediante un dispositivo mecánico como una turbina ideal.
Energía cinética: Es la energía asociada con el movimiento de un objeto. Un ejemplo de ello es cuando damos un puntapié a un balón, el pie transfiere movimiento al balón, es decir, cuando un cuerpo en movimiento choca con otro objeto, le puede transmitir movimiento. Por tal razón, es posible afirmar que el objeto en movimiento realiza trabajo sobre el otro y, en consecuencia de ello le transfiere energía.
Energía potencial: La energía potencial es el tipo de energía mecánica asociada a la posición o configuración de un objeto. Podemos pensar en la energía potencial como la energía almacenada en el objeto debido a su posición y que se puede transformar en energía cinética o trabajo 3
Energía potencial gravitatoria: cuando se deja caer desde cierta altura con respecto al suelo, la tierra ejerce fuerza de atracción gravitacional sobre él. Sin embargo, al caer el peso del cuerpo realiza trabajo sobre el objeto, por esta razón podemos asociar cierta clase de energía a un cuerpo que se encuentra a determinada altura con respecto al suelo. A partir de esto entonces podemos decir que la energía potencial gravitacional es aquella asociada a un objeto sometido a la fuerza, peso, y que se encuentra a determinada altura con respecto a un nivel de referencia.
Energía potencial eléctrica o electrostática: La Energía potencial electrostática o Energía potencial eléctrica es un tipo de energía potencial (medida en joules) que resulta de la fuerza de Coulomb y está asociada a la configuración particular de un conjunto de cargas puntuales en un sistema definido. No se debe confundir con el potencial eléctrico (medido en voltios). El término "Energía potencial eléctrica" se suele emplear para describir la energía potencial en sistemas con campos eléctricos que varían con el tiempo, mientras que el término "Energía potencial electrostática" hace referencia a la energía potencial en sistemas con campos eléctricos constantes en el tiempo.
Energía potencial elástica: En los sistemas formados por un objeto que interacciona con algo elástico, como un resorte o una liga, la fuerza que actúa sobre los componentes del sistema es directamente proporcional a la distancia que el elástico se estira o se comprime. La relación entre la magnitud de la fuerza (F) y el cambio en la longitud del medio elástico (x) puede expresarse como: F=Kx
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Donde K es una constante que tiene un valor distinto para cada cuerpo elástico y es una medida de su rigidez. Entre más grande sea el valor de K, para un resorte por ejemplo, mayor fuerza habrá que aplicar para estirarlo o comprimirlo una distancia x. Energías alternativas:
Energía solar: la fuente de esta energía es la procedente del sol, y dada su naturaleza de energía renovable, existe una tendencia universal por diseñar centrales solares.
Energía de la biomasa: La fuente de esta energía es la materia orgánica, de origen vegetal o animal y los materiales obtenidos en la transformación natural o artificial de la materia orgánica.
Energía eólica: la fuente de eta es el viento, que se encarga de poner en movimiento generadores de otros tipos de energía.
Energía geotérmica: esta energía se fundamenta en las altas temperaturas que se producen en el interior de la tierra.
Energía mareomotriz: el agua de mar en su movimiento producido por las mareas es una fuente de energía que se puede utilizar para accionar turbinas y así producir otros tipos de energía
6. En que consiste el teorema de trabajo y energía Si se utiliza la segunda ley de Newton las soluciones pueden ser difíciles si las fuerzas en el problema son complejas. Un planteamiento alternativo que nos permite entender y resolver dichos problemas de movimiento es relacionar la velocidad de la partícula con su desplazamiento bajo la influencia de alguna fuerza neta.
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El trabajo efectuado por la fuerza neta constante Fneta al desplazarse una partícula es igual al cambio en la energía cinética de la partícula. Wneto= Kf-Ki=ΔK. Esta ecuación es un resultado importante conocido como el teorema del trabajo y la energía. Por conveniencia se dedujo bajo la suposición de que la fuerza neta que actúa sobre la partícula era constante. Debe observarse que cuando se transfiere energía a una partícula (como trabajo), debe aparecer como energía cinética. El teorema del trabajo y la energía establece también que la velocidad de la partícula aumentara si el trabajo neto hecho sobre ella es positivo, puesto que la energía cinética final será mayor que la inicial. La velocidad disminuirá si el trabajo neto es negativo porque la energía cinética final será menor que la inicial. La velocidad y la energía cinética de una partícula cambian solo si el trabajo sobre la partícula lo hace una fuerza externa.
Ejemplo. Una bala de 20 g choca contra un banco de fango, como se muestra en la figura, y penetra una distancia de 6 cm antes de detenerse. Calcular la fuerza de frenado F, si la velocidad de entrada fue de 80 m/s.
Fig #2 Bala contra banco de fango 6
Se tienen como datos la rapidez inicial y la rapidez final, además de la masa de la bala como la cantidad desplazada mientras se le aplica la fuerza. Por el teorema del trabajo y la energía se puede encontrar el valor de esa fuerza:
La rapidez v(2) es el estado final (0 m/s), y la rapidez v(1) es el estado inicial antes de entrar al banco de fango (80 m/s). La masa de la bala es 20 g = 0.02 Kg. Entonces:
Ésto es igual al trabajo neto efectuado por todas las fuerzas. En éste caso, la única fuerza que actúa es la que detiene a la bala (la fricción del fluído viscoso): W = F*d = ∆K =
- 64 J
Con d = 6 cm = 0.06 m: F = - 64 J / 0.06 m = - 1066.67 N
7. Explique el principio de conservación de la energía. La energía mecánica total de un sistema es constante cuando actúa dentro del sistema solo de fuerzas conservativas. Asimismo, podemos asociar una función de energía potencial con cada fuerza conservativa. Por otra parte la energía mecánica se pierde cuando están presentes fuerzas no conservativas, como la fricción. La energía nunca puede crearse ni destruirse. La energía puede transformarse de una forma en otra, pero la energía total de un sistema aislado siempre es constante. Desde un punto de vista general podemos 7
decir que la energía total del universo es constante. Si una parte del universo gana energía de alguna forma, otra parte del universo debe perder una parte igual de energía no se ha encontrado ninguna violación a esta regla. En la imagen #1 puede observarse como al disminuir la energía potencial esta se transforma en cinética, la cual a su vez vuelve a transformarse en potencial, esto permite que la energía total siempre sea constante.
Imagen #1 Principio de conservación de la energía
II PARTE ANALISIS
1. Un elevador es subido por sus cables con rapidez constante. El trabajo realizado sobre él es positivo, negativo o cero? Explique. Según el enunciado los cables están trabajando a una rapidez constante, como sabemos la trayectoria de un elevador es rectilínea, esto permite deducir que el vector de velocidad es constante, por lo cual implica que la aceleración es cero. Sobre el elevador estarían entonces actuando 2 fuerzas, las cuales son:
El peso La tensión total de los cables
Como dijimos que la aceleración es cero, por segunda ley de newton sabemos que la fuerza resultante es cero, sabiendo que el peso y la tensión de los cables poseen iguales magnitudes pero sentidos contrarios. Entonces, el trabajo ejercido por la fuerza resultante es 0
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(cero), debido a que el trabajo es el producto entre el desplazamiento y la componente de la fuerza en dirección del desplazamiento
2. La energía cinética de un automóvil cambia más al acelerar de 10 a 15m/s o de 15 a 20m/s? Explique su respuesta. El cambio en la energía cinética en el primer caso es: 1/2*m*15^2 - 1/2*m*10^2 = 125/2*m En el segundo caso es: 1/2*m*20^2 - 1/2*m*15^2 = 175/2*m Como vez, mientras más alta sea la velocidad, más alto es el cambio en la energía cinética pues la energía cinética varía en forma cuadrática con la velocidad. Adaptándolo a la vida cotidiana también podemos explicar este problema diciendo que es más difícil, para correr más rápido, mientras que si estás en reposo es muy fácil ponerte a caminar. Mientras más rápido quieras ir, tienes que invertir más energía para lograrlo
3. El trabajo total efectuado sobre un objeto durante un desplazamiento puede ser negativo? Explique su respuesta El trabajo si puede ser negativo, esto ocurre cuando la componente de la fuerza en dirección del desplazamiento, tiene sentido contrario al desplazamiento. Recordando que la fórmula de trabajo (W) es W=F·d Donde d = vector de desplazamiento F = componente de la fuerza en dirección del desplazamiento Entonces, si ambos vectores van en sentidos contrarios, tienen distintos signos, por lo que la multiplicación es negativa. Esto ocurre por ejemplo en un lanzamiento vertical hacia arriba. La fuerza que actúa es el peso, que se dirige hacia abajo, pero la fuerza y el desplazamiento están en 9
la misma dirección (vertical). Entonces el trabajo ejercido por el peso es negativo
4. En qué manera considera usted que su propuesta de Proyecto en Procesos químicos, este relacionado con el principio de conservación de la Energía Primeramente es necesario explicar que nuestro proyecto en procesos químicos consiste en la obtención de biodiesel a partir de desechos orgánicos domésticos, este proyecto tiene como finalidad crear precisamente energías tal como lo es el combustible biodiesel de otras fuentes primarias alternativas de energía pensando en que los principales recursos energéticos de donde se crea mayormente el combustible no serán eternos y se necesitan fuentes alternativas y que además ayuden a la disminución de la contaminación del planeta ya que por el área en que hemos decido formarnos como futuros químicos tenemos la responsabilidad de al ejercer nuestra carrera no colaborar con la contaminación del planeta y si es posible como en nuestro caso diseñar formas de utilizar agentes que pueden ser contaminantes de forma positiva para el ser humano. Luego de explicado esto relacionamos este proyecto con la ley de la conservación de la energía en gran manera ya que aunque no se puede ver de forma superficial los desechos orgánicos domésticos poseen energía, estos procesos serán transformados por nosotros a través de combustiones y/o otros procesos químicos para transformar esta energía en combustible biodiesel; al final de este proceso el combustible biodiesel tendrá la misma cantidad de energía total que poseía la mas de desechos orgánicos utilizados para su elaboración, solo que como ya hemos explicado esta energía se habrá transformado.
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