Trabajo y energía

Fuerza y leyes de Newton respondió por qué se mueven las cosas; esta lección pregunta cuánto se hizo y qué tan rápido. Mientras rapidez y movimiento midió qué tan rápido cambia la posición, aquí medimos cuánto trabajo realiza una fuerza y qué tan rápido lo realiza.

Trabajo: fuerza por distancia

Empujar un objeto cierta distancia en la dirección de la fuerza es lo que la física llama hacer trabajo:

$W = F \times s$

se mide en julios (J). Fíjate en las palabras "en la dirección": cuando cargas una bolsa de compras mientras caminas, tu brazo jala hacia arriba mientras la bolsa se mueve horizontalmente; el brazo no realiza trabajo sobre la bolsa.

Ejemplo resuelto: arrastrar una caja

Arrastrar una caja 3 m por el piso con una fuerza horizontal de 50 N: $W = F \times s = 50 \times 3 = 150$ J. Con solo 25 N de fuerza en los mismos 3 m, el trabajo es $25 \times 3 = 75$ J: mitad de fuerza, mitad de trabajo.

Energía cinética y potencial

La energía aparece en dos formas muy conocidas:

Energía cinética: la energía del movimiento, que aumenta tanto con la rapidez como con la masa: $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ ;
Energía potencial: energía almacenada por la posición. Levanta un objeto y almacena energía potencial gravitatoria:

$E_p = mgh$

Ejemplo resuelto: una pelota levantada

Elevar una pelota de 2 kg a una altura de 5 m (con g = 9.8 N/kg): $E_p = mgh = 2 \times 9.8 \times 5 = 98$ J. Esos 98 J son exactamente el trabajo que hiciste, y la energía que ahora almacena la pelota.

Conservación: la forma cambia, el total no

Suelta la pelota. Pierde altura, así que la energía potencial disminuye; gana rapidez, así que la energía cinética aumenta. La disminución de un lado es igual al aumento del otro: un instante antes de tocar el suelo, los 98 J de energía potencial se han convertido en energía cinética (ignorando la resistencia del aire). La energía nunca aparece ni desaparece de la nada; solo cambia de forma, y el total permanece fijo. Eso es la conservación de la energía: un registro que no permite deudas, con cada entrada a la vista.

Potencia: qué tan rápido se hace el trabajo

Dos personas hacen 600 J de trabajo cada una; una termina en 20 segundos, la otra necesita 10 minutos. ¿Quién trabaja con mayor rapidez? La potencia mide la tasa a la que se realiza trabajo:

$P = \frac{W}{t}$

se mide en vatios (W), donde 1 W = 1 J/s.

Ejemplo resuelto: potencia

600 J de trabajo hechos en 20 segundos: $P = 600 \div 20 = 30$ W. Un foco con potencia nominal de 40 W convierte 40 J de energía eléctrica en luz y calor cada segundo; una olla arrocera de varios cientos de vatios convierte energía mucho más rápido.

Cuestionario rápido

0 / 3 correctas0 / 3 correctas

1. Una fuerza de 50 N empuja un objeto 3 m en su dirección. ¿Cuánto trabajo se realiza?
2. Una pelota de 2 kg se eleva a una altura de 5 m (g = 9.8). ¿Cuánta energía potencial se almacena?
3. Se realizan 600 J de trabajo en 20 segundos. ¿Cuál es la potencia?