Para poder caracterizar las características energéticas del movimiento, se introdujo el concepto de trabajo mecánico. Y a ello está dedicado el artículo en sus diversas manifestaciones. El tema es fácil y bastante difícil de entender. El autor intentó sinceramente hacerlo más comprensible y accesible a la comprensión, y sólo cabe esperar que se haya logrado el objetivo.
¿Cómo se llama el trabajo mecánico?
¿Cómo se llama? Si alguna fuerza actúa sobre un cuerpo y, como resultado de su acción, el cuerpo se mueve, entonces se llama trabajo mecánico. Cuando se aborda desde el punto de vista filosofía científica Aquí se pueden destacar varios aspectos adicionales, pero el artículo cubrirá el tema desde el punto de vista de la física. Trabajo mecánico- No es difícil si piensas detenidamente en las palabras escritas aquí. Pero la palabra "mecánico" generalmente no se escribe y todo se reduce a la palabra "trabajo". Pero no todos los trabajos son mecánicos. Aquí hay un hombre sentado y pensando. ¿Funciona? ¡Mentalmente sí! ¿Pero es esto un trabajo mecánico? No. ¿Qué pasa si una persona camina? Si un cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza, entonces se trata de un trabajo mecánico. Es sencillo. En otras palabras, una fuerza que actúa sobre un cuerpo realiza un trabajo (mecánico). Y una cosa más: es un trabajo que puede caracterizar el resultado de la acción de una determinada fuerza. Entonces, si una persona camina, ciertas fuerzas (fricción, gravedad, etc.) realizan un trabajo mecánico sobre la persona y, como resultado de su acción, la persona cambia su punto de ubicación, en otras palabras, se mueve.
trabajar como cantidad física es igual a la fuerza que actúa sobre el cuerpo, multiplicada por el camino que ha recorrido el cuerpo bajo la influencia de esta fuerza y en la dirección que ésta indica. Podemos decir que el trabajo mecánico se realizó si se cumplieron simultáneamente 2 condiciones: una fuerza actuó sobre el cuerpo y este se movió en la dirección de su acción. Pero esto no ocurrió o no ocurre si la fuerza actuó y el cuerpo no cambió su ubicación en el sistema de coordenadas. A continuación se muestran pequeños ejemplos en los que no se realiza trabajo mecánico:
- Entonces una persona puede apoyarse en una enorme roca para moverla, pero no tiene suficiente fuerza. La fuerza actúa sobre la piedra, pero ésta no se mueve y no se produce ningún trabajo.
- El cuerpo se mueve en el sistema de coordenadas y la fuerza es igual a cero o todas han sido compensadas. Esto se puede observar mientras se mueve por inercia.
- Cuando la dirección en que se mueve un cuerpo es perpendicular a la acción de la fuerza. Cuando un tren se mueve a lo largo de una línea horizontal, la gravedad no hace su trabajo.
Dependiendo de determinadas condiciones, el trabajo mecánico puede ser negativo y positivo. Entonces, si las direcciones tanto de las fuerzas como de los movimientos del cuerpo son las mismas, entonces se produce un trabajo positivo. Un ejemplo de trabajo positivo es el efecto de la gravedad sobre una gota de agua que cae. Pero si la fuerza y la dirección del movimiento son opuestas, entonces se produce un trabajo mecánico negativo. Un ejemplo de esta opción es un globo que se eleva hacia arriba y la fuerza de la gravedad, que realiza un trabajo negativo. Cuando un cuerpo está sujeto a la influencia de varias fuerzas, dicho trabajo se denomina "trabajo de fuerza resultante".
Características de aplicación práctica (energía cinética).
Pasemos de la teoría a la parte práctica. Por separado, deberíamos hablar del trabajo mecánico y su aplicación en física. Como probablemente muchos recuerden, toda la energía del cuerpo se divide en cinética y potencial. Cuando un objeto está en equilibrio y no se mueve a ninguna parte, su energía potencial es igual a su energía total y su energía cinética es igual a cero. Cuando comienza el movimiento, la energía potencial comienza a disminuir, la energía cinética comienza a aumentar, pero en total son iguales a la energía total del objeto. Para un punto material, la energía cinética se define como el trabajo de una fuerza que acelera el punto desde cero hasta el valor H, y en forma de fórmula la cinética de un cuerpo es igual a ½*M*N, donde M es la masa. Para saber la energía cinética de un objeto que consta de muchas partículas, es necesario encontrar la suma de toda la energía cinética de las partículas, y esta será la energía cinética del cuerpo.
Características de la aplicación práctica (energía potencial).
En el caso de que todas las fuerzas que actúan sobre el cuerpo sean conservativas y la energía potencial sea igual al total, entonces no se realiza ningún trabajo. Este postulado se conoce como ley de conservación de la energía mecánica. La energía mecánica en un sistema cerrado es constante durante un intervalo de tiempo. La ley de conservación es ampliamente utilizada para resolver problemas de la mecánica clásica.
Características de la aplicación práctica (termodinámica).
En termodinámica, el trabajo realizado por un gas durante la expansión se calcula mediante la integral de presión por volumen. Este enfoque es aplicable no sólo en los casos en los que existe una función de volumen exacta, sino también a todos los procesos que se pueden representar en el plano presión/volumen. También aplica los conocimientos del trabajo mecánico no sólo a los gases, sino a cualquier cosa que pueda ejercer presión.
Características de la aplicación práctica en la práctica (mecánica teórica).
En mecánica teórica, se consideran con más detalle todas las propiedades y fórmulas descritas anteriormente, en particular las proyecciones. También da su definición para varias fórmulas de trabajo mecánico (un ejemplo de definición para la integral de Rimmer): el límite al que tiende la suma de todas las fuerzas del trabajo elemental, cuando la finura de la partición tiende a cero, se llama trabajo de fuerza a lo largo de la curva. ¿Probablemente difícil? Pero nada, todo está bien con la mecánica teórica. Sí, se acabaron todos los trabajos mecánicos, físicos y otras dificultades. Además, solo habrá ejemplos y una conclusión.
Unidades de medida del trabajo mecánico.
El SI usa julios para medir el trabajo, mientras que el GHS usa ergios:
- 1 J = 1 kg m²/s² = 1 N·m
- 1 ergio = 1 g cm²/s² = 1 dina cm
- 1 ergio = 10 −7 J
Ejemplos de trabajo mecánico.
Para comprender finalmente un concepto como el trabajo mecánico, conviene estudiar varios ejemplos individuales que le permitirán considerarlo desde muchos lados, pero no desde todos:
- Cuando una persona levanta una piedra con las manos, el trabajo mecánico se produce con la ayuda de la fuerza muscular de sus manos;
- Cuando un tren avanza sobre los rieles, es arrastrado por la fuerza de tracción del tractor (locomotora eléctrica, locomotora diésel, etc.);
- Si tomas un arma y disparas con ella, gracias a la fuerza de presión creada por los gases de la pólvora, se realizará el trabajo: la bala se mueve a lo largo del cañón del arma al mismo tiempo que aumenta la velocidad de la bala;
- El trabajo mecánico también existe cuando la fuerza de fricción actúa sobre un cuerpo, obligándolo a reducir la velocidad de su movimiento;
- El ejemplo anterior con bolas, cuando se elevan en dirección opuesta a la dirección de la gravedad, también es un ejemplo de trabajo mecánico, pero además de la gravedad, también actúa la fuerza de Arquímedes, cuando todo lo que es más ligero que el aire se eleva.
¿Qué es el poder?
Por último, me gustaría tocar el tema del poder. El trabajo realizado por una fuerza en una unidad de tiempo se llama potencia. De hecho, la potencia es una cantidad física que es un reflejo de la relación entre el trabajo y un cierto período de tiempo durante el cual se realizó este trabajo: M=P/B, donde M es potencia, P es trabajo, B es tiempo. La unidad de potencia del SI es 1 W. Un vatio es igual a la potencia que realiza un julio de trabajo en un segundo: 1 W=1J\1s.
Todo cuerpo que realiza un movimiento puede caracterizarse por trabajo. En otras palabras, caracteriza la acción de fuerzas.
El trabajo se define como:
El producto del módulo de fuerza y el camino recorrido por el cuerpo, multiplicado por el coseno del ángulo entre la dirección de la fuerza y el movimiento.
El trabajo se mide en julios:
1 [J] = = [kg*m2/s2]
Por ejemplo, el cuerpo A, bajo la influencia de una fuerza de 5 N, recorrió 10 m. Determine el trabajo realizado por el cuerpo.
Como la dirección del movimiento y la acción de la fuerza coinciden, el ángulo entre el vector fuerza y el vector desplazamiento será igual a 0°. La fórmula se simplificará porque el coseno de un ángulo de 0° es igual a 1.
Sustituyendo los parámetros iniciales en la fórmula, encontramos:
A= 15 J.
Consideremos otro ejemplo: un cuerpo que pesa 2 kg, que se mueve con una aceleración de 6 m/s2, ha recorrido 10 m. Determine el trabajo realizado por el cuerpo si se mueve hacia arriba a lo largo de un plano inclinado en un ángulo de 60°.
Para empezar, calculemos cuánta fuerza se debe aplicar para impartir una aceleración de 6 m/s2 al cuerpo.
F = 2 kg * 6 m/s2 = 12 H.
Bajo la influencia de una fuerza de 12N, el cuerpo se movió 10 m. El trabajo se puede calcular mediante la fórmula ya conocida:
Donde a es igual a 30°. Sustituyendo los datos iniciales en la fórmula obtenemos:
A= 103,2 J.
Fuerza
Muchas máquinas y mecanismos realizan el mismo trabajo en diferentes períodos de tiempo. Para compararlos se introduce el concepto de poder.
La potencia es una cantidad que muestra la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo.
La potencia se mide en vatios, en honor al ingeniero escocés James Watt.
1 [vatio] = 1 [J/s].
Por ejemplo, una grúa grande levantó una carga que pesaba 10 toneladas a una altura de 30 m en 1 minuto. Una pequeña grúa levantó 2 toneladas de ladrillos a la misma altura en 1 minuto. Compare las capacidades de las grúas.
Definamos el trabajo realizado por las grúas. La carga se eleva 30 m, mientras vence la fuerza de la gravedad, por lo que la fuerza aplicada al levantar la carga será igual a la fuerza de interacción entre la Tierra y la carga (F = m * g). Y el trabajo es el producto de las fuerzas por la distancia recorrida por las cargas, es decir, por la altura.
Para una grúa grande A1 = 10.000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 3.000.000 J, y para una grúa pequeña A2 = 2.000 kg * 30 m * 10 m/s2 = 600.000 J.
La potencia se puede calcular dividiendo el trabajo por el tiempo. Ambas grúas levantaron la carga en 1 minuto (60 segundos).
De aquí:
N1 = 3.000.000 J/60 s = 50.000 W = 50 kW.
N2 = 600.000 J/ 60 s = 10.000 W = 10 kW.
De los datos anteriores se desprende claramente que la primera grúa es 5 veces más potente que la segunda.
« Física - décimo grado"
La ley de conservación de la energía es una ley fundamental de la naturaleza que nos permite describir la mayoría de los fenómenos que ocurren.
La descripción del movimiento de los cuerpos también es posible utilizando conceptos de dinámica como trabajo y energía.
Recuerda qué son el trabajo y la potencia en física.
¿Coinciden estos conceptos con las ideas cotidianas sobre ellos?
Todas nuestras acciones diarias se reducen al hecho de que nosotros, con la ayuda de los músculos, ponemos en movimiento los cuerpos circundantes y mantenemos este movimiento, o detenemos los cuerpos en movimiento.
Estos cuerpos son herramientas (martillo, bolígrafo, sierra), en juegos: pelotas, discos, piezas de ajedrez. En producción y agricultura la gente también pone en marcha herramientas.
El uso de máquinas aumenta muchas veces la productividad laboral debido al uso de motores en las mismas.
El propósito de cualquier motor es poner los cuerpos en movimiento y mantener este movimiento, a pesar del frenado tanto por fricción ordinaria como por resistencia de "trabajo" (el cortador no debe simplemente deslizarse sobre el metal, sino que, al cortarlo, eliminar las virutas; el arado debe aflojar tierra, etc.). En este caso, sobre el cuerpo en movimiento debe actuar una fuerza desde el lado del motor.
En la naturaleza se realiza trabajo siempre que una fuerza (o varias fuerzas) de otro cuerpo (otros cuerpos) actúa sobre un cuerpo en el sentido de su movimiento o en contra de él.
La fuerza de gravedad sí actúa cuando gotas de lluvia o piedras caen de un acantilado. Al mismo tiempo, también realiza trabajo la fuerza de resistencia que actúa sobre las gotas que caen o sobre la piedra desde el aire. La fuerza elástica también realiza trabajo cuando un árbol doblado por el viento se endereza.
Definición de trabajo.
La segunda ley de Newton en forma de impulso Δ = Δt le permite determinar cómo la velocidad de un cuerpo cambia en magnitud y dirección si una fuerza actúa sobre él durante un tiempo Δt.
La influencia de las fuerzas sobre los cuerpos, que provocan un cambio en el módulo de su velocidad, se caracteriza por un valor que depende tanto de las fuerzas como de los movimientos de los cuerpos. En mecánica esta cantidad se llama trabajo de fuerza.
Un cambio de velocidad en valor absoluto sólo es posible en el caso de que la proyección de la fuerza F r sobre la dirección del movimiento del cuerpo sea diferente de cero. Es esta proyección la que determina la acción de la fuerza que cambia la velocidad del módulo del cuerpo. Ella hace el trabajo. Por tanto, el trabajo puede considerarse como el producto de la proyección de la fuerza F r por el módulo de desplazamiento |Δ| (Figura 5.1):
A = Fr |Δ|. (5.1)
Si el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento se denota por α, entonces Fr = Fcosα.
Por tanto el trabajo es igual a:
A = |Δ|cosα. (5.2)
Nuestra idea cotidiana del trabajo difiere de la definición de trabajo en física. Llevas una maleta pesada en las manos y te parece que estás trabajando. Sin embargo, desde el punto de vista físico, tu trabajo es nulo.
El trabajo de una fuerza constante es igual al producto de los módulos de la fuerza por el desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza y el coseno del ángulo entre ellos.
En el caso general, cuando un cuerpo rígido se mueve, los desplazamientos de sus distintos puntos son diferentes, pero a la hora de determinar el trabajo de una fuerza, estamos bajo Δ entendemos el movimiento de su punto de aplicación. Durante el movimiento de traslación de un cuerpo rígido, el movimiento de todos sus puntos coincide con el movimiento del punto de aplicación de la fuerza.
El trabajo, a diferencia de la fuerza y el desplazamiento, no es una cantidad vectorial, sino una cantidad escalar. Puede ser positivo, negativo o cero.
El signo del trabajo está determinado por el signo del coseno del ángulo entre la fuerza y el desplazamiento. Si α< 90°, то А >0, ya que el coseno de los ángulos agudos es positivo. Para α > 90°, el trabajo es negativo, ya que el coseno ángulos obtusos negativo. En α = 90° (fuerza perpendicular al desplazamiento) no se realiza ningún trabajo.
Si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, entonces la proyección de la fuerza resultante sobre el desplazamiento es igual a la suma de las proyecciones de las fuerzas individuales:
F r = F 1r + F 2r + ... .
Por lo tanto, para el trabajo de la fuerza resultante obtenemos
A = F 1r |Δ| + F 2r |Δ| + ... = Un 1 + Un 2 + .... (5.3)
Si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas, entonces el trabajo total ( suma algebraica trabajo de todas las fuerzas) es igual al trabajo de la fuerza resultante.
El trabajo realizado por una fuerza se puede representar gráficamente. Expliquemos esto representando en la figura la dependencia de la proyección de fuerza de las coordenadas del cuerpo cuando se mueve en línea recta.
Deje que el cuerpo se mueva a lo largo del eje OX (Fig. 5.2), luego
Fcosα = F x , |Δ| = Δ x.
Por el trabajo de la fuerza obtenemos
A = F|Δ|cosα = F x Δx.
Es obvio que el área del rectángulo sombreado en la Figura (5.3, a) es numéricamente igual al trabajo realizado al mover un cuerpo desde un punto con coordenadas x1 a un punto con coordenadas x2.
La fórmula (5.1) es válida en el caso de que la proyección de la fuerza sobre el desplazamiento sea constante. En el caso de una trayectoria curvilínea, fuerza constante o variable, dividimos la trayectoria en pequeños segmentos, que pueden considerarse rectilíneos, y la proyección de la fuerza en un pequeño desplazamiento. Δ - constante.
Luego, calculando el trabajo en cada movimiento. Δ
y luego sumando estos trabajos, determinamos el trabajo de la fuerza en el desplazamiento final (Fig. 5.3, b). Unidad de trabajo.
La unidad de trabajo se puede establecer mediante la fórmula básica (5.2). Si, al mover un cuerpo por unidad de longitud, actúa sobre él una fuerza cuyo módulo es igual a uno, y la dirección de la fuerza coincide con la dirección de movimiento de su punto de aplicación (α = 0), entonces el trabajo será igual a uno. EN Sistema internacional La unidad de trabajo (SI) es el julio (denotado J):
1 J = 1 N 1 m = 1 N m.
Joule- este es el trabajo realizado por una fuerza de 1 N sobre el desplazamiento 1 si las direcciones de la fuerza y el desplazamiento coinciden.
A menudo se utilizan varias unidades de trabajo: kilojulio y megajulio:
1kJ = 1000J,
1MJ = 1000000J.
El trabajo se puede completar en un período de tiempo largo o en uno muy corto. En la práctica, sin embargo, no es indiferente si el trabajo se puede realizar con rapidez o con lentitud. El tiempo durante el cual se realiza el trabajo determina el rendimiento de cualquier motor. Un pequeño motor eléctrico puede realizar mucho trabajo, pero llevará mucho tiempo. Por tanto, junto con el trabajo, se introduce una cantidad que caracteriza la velocidad con la que se produce: la potencia.
La potencia es la relación entre el trabajo A y el intervalo de tiempo Δt durante el cual se realiza este trabajo, es decir, la potencia es la velocidad del trabajo:
Sustituyendo en la fórmula (5.4) en lugar del trabajo A su expresión (5.2), obtenemos
Por lo tanto, si la fuerza y la velocidad de un cuerpo son constantes, entonces la potencia es igual al producto de la magnitud del vector fuerza por la magnitud del vector velocidad y el coseno del ángulo entre las direcciones de estos vectores. Si estas cantidades son variables, entonces usando la fórmula (5.4) podemos determinar la potencia promedio similar a la definición velocidad media movimientos corporales.
Se introduce el concepto de potencia para evaluar el trabajo por unidad de tiempo realizado por cualquier mecanismo (bomba, grúa, motor de máquina, etc.). Por lo tanto, en las fórmulas (5.4) y (5.5), siempre se entiende por fuerza de tracción.
En SI, la potencia se expresa en vatios (W).
La potencia es igual a 1 W si se realiza un trabajo igual a 1 J en 1 s.
Junto con el vatio, se utilizan unidades de potencia más grandes (múltiples):
1 kW (kilovatio) = 1000 W,
1 MW (megavatio) = 1.000.000 W.
¿Sabes qué es el trabajo? Sin ninguna duda. Toda persona sabe qué es el trabajo, siempre que haya nacido y viva en el planeta Tierra. ¿Qué es el trabajo mecánico?
Este concepto también es conocido por la mayoría de las personas en el planeta, aunque algunas personas tienen una comprensión bastante vaga de este proceso. Pero no estamos hablando de ellos ahora. Incluso menos personas tienen idea de qué es. Trabajo mecánico desde el punto de vista de la física. En física, el trabajo mecánico no es trabajo humano para obtener alimentos, es una cantidad física que puede no tener ninguna relación ni con una persona ni con ningún otro ser vivo. ¿Cómo es eso? Vamos a resolverlo ahora.
Trabajo mecánico en física.
Pongamos dos ejemplos. En el primer ejemplo, las aguas del río, ante un abismo, caen ruidosamente en forma de cascada. El segundo ejemplo es el de un hombre que sostiene con los brazos extendidos un objeto pesado, por ejemplo, para evitar que se caiga el tejado roto del porche de una casa de campo, mientras su mujer y sus hijos buscan desesperadamente algo con qué sostenerlo. ¿Cuándo se realiza el trabajo mecánico?
Definición de trabajo mecánico
Casi todo el mundo, sin dudarlo, responderá: en el segundo. Y se equivocarán. El opuesto es verdad. En física, el trabajo mecánico se describe. con las siguientes definiciones: El trabajo mecánico se realiza cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo y este se mueve. El trabajo mecánico es directamente proporcional a la fuerza aplicada y la distancia recorrida.
Fórmula de trabajo mecánico
El trabajo mecánico está determinado por la fórmula:
donde A es trabajo,
F - fuerza,
s - distancia recorrida.
Así, a pesar de todo el heroísmo del cansado tejado, el trabajo que ha realizado es nulo, pero el agua, al caer bajo la influencia de la gravedad desde un alto acantilado, realiza el trabajo más mecánico. Es decir, si empujamos un mueble pesado sin éxito, entonces el trabajo que hemos realizado desde el punto de vista físico será igual a cero, a pesar de que aplicamos mucha fuerza. Pero si movemos el gabinete una cierta distancia, entonces haremos el trabajo. igual al producto fuerza aplicada por la distancia que movimos el cuerpo.
La unidad de trabajo es 1 J. Este es el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton para mover un cuerpo a una distancia de 1 m. Si la dirección de la fuerza aplicada coincide con la dirección del movimiento del cuerpo, entonces esta fuerza. hace un trabajo positivo. Un ejemplo es cuando empujamos un cuerpo y este se mueve. Y en el caso de que se aplique una fuerza en la dirección opuesta al movimiento del cuerpo, por ejemplo, la fuerza de fricción, entonces esta fuerza realiza un trabajo negativo. Si la fuerza aplicada no afecta de ninguna manera el movimiento del cuerpo, entonces la fuerza realizada por este trabajo es igual a cero.
Trabajo mecánico. Unidades de trabajo.
En la vida cotidiana entendemos todo por el concepto de “trabajo”.
En física, el concepto Trabajo algo diferente. Es una cantidad física definida, lo que significa que se puede medir. En física se estudia principalmente. Trabajo mecánico .
Veamos ejemplos de trabajo mecánico.
El tren se mueve bajo la fuerza de tracción de una locomotora eléctrica y se realiza un trabajo mecánico. Cuando se dispara un arma, la fuerza de presión de los gases de la pólvora funciona: mueve la bala a lo largo del cañón y la velocidad de la bala aumenta.
De estos ejemplos queda claro que el trabajo mecánico se realiza cuando un cuerpo se mueve bajo la influencia de una fuerza. El trabajo mecánico también se realiza cuando una fuerza que actúa sobre un cuerpo (por ejemplo, una fuerza de fricción) reduce la velocidad de su movimiento.
Al querer mover el gabinete, lo presionamos con fuerza, pero si no se mueve, entonces no realizamos trabajo mecánico. Se puede imaginar un caso en el que un cuerpo se mueve sin la participación de fuerzas (por inercia, en este caso tampoco se realiza trabajo mecánico);
Entonces, El trabajo mecánico se realiza sólo cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo y éste se mueve. .
No es difícil entender que cuanto mayor es la fuerza que actúa sobre el cuerpo y cuanto más largo es el camino que recorre el cuerpo bajo la influencia de esta fuerza, mayor es el trabajo realizado.
El trabajo mecánico es directamente proporcional a la fuerza aplicada y directamente proporcional a la distancia recorrida. .
Por lo tanto, acordamos medir el trabajo mecánico por el producto de la fuerza y el camino recorrido en esta dirección de esta fuerza:
trabajo = fuerza × camino
Dónde A- Trabajo, F- fuerza y s- distancia viajada.
Se considera unidad de trabajo el trabajo realizado por una fuerza de 1N en un recorrido de 1m.
Unidad de trabajo - joule (j ) lleva el nombre del científico inglés Joule. De este modo,
1J = 1N·m.
También usado kilojulios (kJ) .
1 kJ = 1000 J.
Fórmula A = Fs aplicable cuando la fuerza F constante y coincide con la dirección del movimiento del cuerpo.
Si la dirección de la fuerza coincide con la dirección del movimiento del cuerpo, entonces esta fuerza realiza un trabajo positivo.
Si el cuerpo se mueve en dirección opuesta a la dirección de la fuerza aplicada, por ejemplo, la fuerza de fricción por deslizamiento, entonces esta fuerza realiza un trabajo negativo.
Si la dirección de la fuerza que actúa sobre el cuerpo es perpendicular a la dirección del movimiento, entonces esta fuerza no realiza ningún trabajo, el trabajo es cero:
En el futuro, hablando de trabajo mecánico, lo llamaremos brevemente en una palabra: trabajo.
Ejemplo. Calcule el trabajo realizado al levantar una losa de granito con un volumen de 0,5 m3 a una altura de 20 m. La densidad del granito es 2500 kg/m3.
Dado:
ρ = 2500 kg/m 3
Solución:
donde F es la fuerza que se debe aplicar para levantar uniformemente la losa. Esta fuerza es igual en módulo a la fuerza Fstrand que actúa sobre la losa, es decir, F = Fstrand. Y la fuerza de gravedad se puede determinar por la masa de la losa: Fpeso = gm. Calculemos la masa de la losa, conociendo su volumen y la densidad del granito: m = ρV; s = h, es decir, el recorrido es igual a la altura de elevación.
Entonces, m = 2500 kg/m3 · 0,5 m3 = 1250 kg.
F = 9,8 N/kg · 1250 kg ≈ 12250 N.
A = 12.250 N · 20 m = 245.000 J = 245 kJ.
Respuesta: A = 245 kJ.
Palancas.Poder.Energía
Diferentes motores requieren tiempos diferentes para completar el mismo trabajo. Por ejemplo, una grúa en una obra levanta cientos de ladrillos hasta el último piso de un edificio en pocos minutos. Si un trabajador moviera estos ladrillos, le llevaría varias horas hacerlo. Otro ejemplo. Un caballo puede arar una hectárea de tierra en 10 a 12 horas, mientras que un tractor con arado múltiple ( reja del arado- parte del arado, que corta la capa de tierra desde abajo y la transfiere al vertedero; varias rejas de arado (muchas rejas de arado), este trabajo se completará en 40-50 minutos.
Está claro que una grúa hace el mismo trabajo más rápido que un trabajador y un tractor hace el mismo trabajo más rápido que un caballo. La velocidad del trabajo se caracteriza por una cantidad especial llamada potencia.
La potencia es igual a la relación entre el trabajo y el tiempo durante el cual se realizó.
Para calcular la potencia, es necesario dividir el trabajo por el tiempo durante el cual se realizó este trabajo. potencia = trabajo/tiempo.
Dónde norte- fuerza, A- Trabajo, t- tiempo de finalización del trabajo.
La potencia es una cantidad constante cuando se realiza el mismo trabajo cada segundo; en otros casos la relación; En determina la potencia media:
norte promedio = En . La unidad de potencia se considera la potencia a la que se realiza J de trabajo en 1 s.
Esta unidad se llama vatio ( W.) en honor a otro científico inglés, Watt.
1 vatio = 1 julio/1 segundo, o 1 W = 1 J/s.
Vatio (julio por segundo) - W (1 J/s).
Las unidades de potencia más grandes se utilizan ampliamente en tecnología. kilovatio (kilovatios), megavatio (megavatio) .
1 megavatio = 1.000.000 vatio
1kW = 1000W
1mW = 0,001W
1W = 0,000001MW
1W = 0,001kW
1W = 1000mW
Ejemplo. Encuentre la potencia del flujo de agua que fluye a través de la presa si la altura de la caída de agua es de 25 m y su caudal es de 120 m3 por minuto.
Dado:
ρ = 1000 kg/m3
Solución:
Masa de agua que cae: metro = ρV,
m = 1000 kg/m3 120 m3 = 120 000 kg (12 104 kg).
Gravedad que actúa sobre el agua:
F = 9,8 m/s2 120.000 kg ≈ 1.200.000 N (12 105 N)
Trabajo realizado por caudal por minuto:
A - 1.200.000 N · 25 m = 30.000.000 J (3 · 107 J).
Potencia de flujo: N = A/t,
N = 30.000.000 J / 60 s = 500.000 W = 0,5 MW.
Respuesta: N = 0,5MW.
Varios motores tienen potencias que van desde centésimas y décimas de kilovatio (motor de afeitadora eléctrica, máquina de coser) hasta cientos de miles de kilovatios (turbinas de agua y vapor).
Tabla 5.
Potencia de algunos motores, kW.
Cada motor tiene una placa (pasaporte del motor), que indica cierta información sobre el motor, incluida su potencia.
La potencia humana en condiciones normales de funcionamiento es en promedio de 70 a 80 W. Al saltar o subir escaleras corriendo, una persona puede desarrollar una potencia de hasta 730 W y, en algunos casos, incluso más.
De la fórmula N = A/t se deduce que
Para calcular el trabajo es necesario multiplicar la potencia por el tiempo durante el cual se realizó este trabajo.
Ejemplo. El motor del ventilador de la habitación tiene una potencia de 35 vatios. ¿Cuánto trabajo hace en 10 minutos?
Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.
Dado:
Solución:
A = 35 W * 600 s = 21 000 W * s = 21 000 J = 21 kJ.
Respuesta A= 21 kJ.
Mecanismos simples.
Desde tiempos inmemoriales, el hombre ha utilizado diversos dispositivos para realizar trabajos mecánicos.
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Todo el mundo sabe que un objeto pesado (una piedra, un armario, una máquina herramienta), que no se puede mover con la mano, se puede mover con la ayuda de un palo suficientemente largo: una palanca.
En este momento Se cree que con la ayuda de palancas hace tres mil años durante la construcción de las pirámides en Antiguo Egipto Movía y elevaba pesadas losas de piedra a grandes alturas.
En muchos casos, en lugar de levantar una carga pesada hasta una determinada altura, se puede hacer rodar o tirar hasta la misma altura a lo largo plano inclinado o levantar con bloques.
Los dispositivos utilizados para convertir la fuerza se llaman mecanismos .
Los mecanismos simples incluyen: palancas y sus variedades. bloque, puerta; Plano inclinado y sus variedades: cuña, tornillo.. En la mayoría de los casos mecanismos simples Se utiliza para ganar fuerza, es decir, para aumentar varias veces la fuerza que actúa sobre el cuerpo.
Se encuentran mecanismos simples tanto en el hogar como en todas las máquinas industriales e industriales complejas que cortan, tuercen y estampan grandes láminas de acero o extraen los hilos más finos con los que luego se fabrican las telas. Los mismos mecanismos se pueden encontrar en máquinas automáticas, impresoras y contadoras modernas y complejas.
Brazo de palanca. Equilibrio de fuerzas sobre la palanca.
Consideremos el mecanismo más simple y común: la palanca.
Una palanca es un cuerpo rígido que puede girar alrededor de un soporte fijo.
Las imágenes muestran cómo un trabajador usa una palanca como palanca para levantar una carga. En el primer caso, el trabajador con fuerza F presiona el extremo de la palanca B, en el segundo - levanta el final B.
El trabajador necesita superar el peso de la carga. PAG- fuerza dirigida verticalmente hacia abajo. Para ello, hace girar la palanca alrededor de un eje que pasa por el único inmóvil el punto de ruptura es el punto de su apoyo ACERCA DE. Fuerza F con la que el trabajador actúa sobre la palanca es menor la fuerza PAG, por lo que el trabajador recibe ganar fuerza. Con la ayuda de una palanca, puede levantar una carga tan pesada que no podrá levantarla usted mismo.
La figura muestra una palanca cuyo eje de rotación es ACERCA DE(fulcro) se encuentra entre los puntos de aplicación de fuerzas. A Y EN. Otra imagen muestra un diagrama de esta palanca. Ambas fuerzas F 1 y F 2 que actúan sobre la palanca están dirigidos en una dirección.
La distancia más corta entre el punto de apoyo y la línea recta a lo largo de la cual actúa la fuerza sobre la palanca se llama brazo de fuerza.
Para encontrar el brazo de la fuerza, debes bajar la perpendicular desde el punto de apoyo hasta la línea de acción de la fuerza.La longitud de esta perpendicular será el brazo de esta fuerza. La figura muestra que OA- fuerza del hombro F 1; transmisión exterior- fuerza del hombro F 2. Las fuerzas que actúan sobre la palanca pueden hacerla girar alrededor de su eje en dos direcciones: en el sentido de las agujas del reloj o en el sentido contrario a las agujas del reloj. si, fuerza F 1 gira la palanca en el sentido de las agujas del reloj y la fuerza F 2 lo gira en sentido antihorario.
La condición bajo la cual la palanca está en equilibrio bajo la influencia de las fuerzas que se le aplican se puede establecer experimentalmente. Hay que recordar que el resultado de la acción de una fuerza depende no sólo de su valor numérico (módulo), sino también del punto en el que se aplica al cuerpo, o cómo se dirige.
Se suspenden varios pesos de la palanca (ver figura) a ambos lados del punto de apoyo para que la palanca permanezca en equilibrio cada vez. Las fuerzas que actúan sobre la palanca son iguales a los pesos de estas cargas. Para cada caso se miden los módulos de fuerza y sus hombros. De la experiencia mostrada en la Figura 154, está claro que la fuerza 2 norte equilibra la fuerza 4 norte. En este caso, como se puede ver en la figura, el hombro de menor fuerza es 2 veces más grande que el hombro de mayor fuerza.
Sobre la base de tales experimentos, se estableció la condición (regla) del equilibrio de palanca.
Una palanca está en equilibrio cuando las fuerzas que actúan sobre ella son inversamente proporcionales a los brazos de dichas fuerzas.
Esta regla se puede escribir como una fórmula:
F 1/F 2 = yo 2/ yo 1 ,
Dónde F 1Y F 2 - fuerzas que actúan sobre la palanca, yo 1Y yo 2 , - los hombros de estas fuerzas (ver figura).
La regla del equilibrio de palancas fue establecida por Arquímedes alrededor del 287-212. antes de Cristo mi. (¿Pero en el último párrafo se dijo que los egipcios usaban palancas? O aquí papel importante juega con la palabra "instalado"?)
De esta regla se deduce que se puede utilizar una fuerza menor para equilibrar una fuerza mayor utilizando una palanca. Deje que un brazo de la palanca sea 3 veces más grande que el otro (ver figura). Luego, aplicando una fuerza de, por ejemplo, 400 N en el punto B, se puede levantar una piedra que pesa 1200 N. Para levantar una carga aún más pesada, es necesario aumentar la longitud del brazo de palanca sobre el que actúa el trabajador.
Ejemplo. Con una palanca, un trabajador levanta una losa que pesa 240 kg (ver Fig. 149). ¿Qué fuerza aplica al brazo de palanca más grande de 2,4 m si el brazo más pequeño mide 0,6 m?
Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.
Dado:
Solución:
Según la regla de equilibrio de la palanca, F1/F2 = l2/l1, de donde F1 = F2 l2/l1, donde F2 = P es el peso de la piedra. Peso de la piedra asd = gm, F = 9,8 N 240 kg ≈ 2400 N
Entonces, F1 = 2400 N · 0,6/2,4 = 600 N.
Respuesta: F1 = 600N.
En nuestro ejemplo, el trabajador vence una fuerza de 2400 N, aplicando una fuerza de 600 N a la palanca. Pero en este caso, el brazo sobre el que actúa el trabajador es 4 veces más largo que aquel sobre el que actúa el peso de la piedra. ( yo 1 : yo 2 = 2,4 m: 0,6 m = 4).
Al aplicar la regla del apalancamiento, una fuerza menor puede equilibrar una fuerza mayor. En este caso, el hombro de menor fuerza debe ser más largo que el hombro de mayor fuerza.
Momento de poder.
Ya conoces la regla del equilibrio de palancas:
F 1 / F 2 = yo 2 / yo 1 ,
Usando la propiedad de la proporción (el producto de sus miembros extremos es igual al producto de sus miembros medios), lo escribimos de esta forma:
F 1yo 1 = F 2 yo 2 .
En el lado izquierdo de la igualdad está el producto de la fuerza. F 1 en su hombro yo 1, y a la derecha, el producto de la fuerza. F 2 en su hombro yo 2 .
El producto del módulo de fuerza que gira el cuerpo y su hombro se llama momento de fuerza; se designa con la letra M. Esto significa
Una palanca está en equilibrio bajo la acción de dos fuerzas si el momento de la fuerza que la hace girar en el sentido de las agujas del reloj es igual al momento de la fuerza que la hace girar en el sentido contrario a las agujas del reloj.
Esta regla se llama regla de los momentos , se puede escribir como una fórmula:
M1 = M2
De hecho, en el experimento que consideramos (§ 56), las fuerzas actuantes fueron iguales a 2 N y 4 N, sus hombros ascendieron respectivamente a 4 y 2 presiones de palanca, es decir, los momentos de estas fuerzas son los mismos cuando la palanca está en equilibrio. .
El momento de fuerza, como cualquier magnitud física, se puede medir. La unidad de momento de fuerza se toma como un momento de fuerza de 1 N, cuyo brazo mide exactamente 1 m.
Esta unidad se llama metro newton (SUST.).
El momento de fuerza caracteriza la acción de una fuerza y muestra que depende simultáneamente tanto del módulo de la fuerza como de su apalancamiento. De hecho, ya sabemos, por ejemplo, que la acción de una fuerza sobre una puerta depende tanto de la magnitud de la fuerza como del lugar donde se aplica la fuerza. Cuanto más fácil es girar la puerta, más lejos del eje de rotación se aplica la fuerza que actúa sobre ella. Es mejor desenroscar la tuerca con una llave larga que con una corta. Cuanto más fácil es sacar un cubo del pozo, más larga será la manija de la puerta, etc.
Palancas en la tecnología, la vida cotidiana y la naturaleza.
La regla del apalancamiento (o la regla de los momentos) subyace a la acción de diversos tipos de herramientas y dispositivos utilizados en la tecnología y la vida cotidiana donde se requiere ganar fuerza o viajar.
Tenemos una ganancia de fuerza al trabajar con tijeras. Tijeras - esto es una palanca(fig), cuyo eje de rotación se produce a través de un tornillo que conecta ambas mitades de las tijeras. fuerza actuante F 1 es la fuerza muscular de la mano de quien agarra las tijeras. contrafuerza F 2 es la fuerza de resistencia del material que se corta con tijeras. Dependiendo del propósito de las tijeras, su diseño varía. Las tijeras de oficina, diseñadas para cortar papel, tienen hojas largas y mangos de casi la misma longitud. Cortar papel no requiere mucha fuerza y una hoja larga facilita el corte en línea recta. Las cizallas para cortar chapa (Fig.) tienen mangos mucho más largos que las hojas, ya que la fuerza de resistencia del metal es grande y para equilibrarla es necesario aumentar significativamente el brazo de la fuerza actuante. La diferencia entre la longitud de los mangos y la distancia de la parte cortante y el eje de rotación es aún mayor cortadores de alambre(Fig.), diseñado para cortar alambre.
Palancas varios tipos disponible en muchos autos. El mango de una máquina de coser, los pedales o el freno de mano de una bicicleta, los pedales de un automóvil y un tractor y las teclas de un piano son ejemplos de palancas utilizadas en estas máquinas y herramientas.
Ejemplos del uso de palancas son los mangos de vicios y bancos de trabajo, la palanca de una perforadora, etc.
El funcionamiento de la báscula de palanca se basa en el principio de la palanca (Fig.). Las escalas de entrenamiento que se muestran en la Figura 48 (p. 42) actúan como palanca de brazo igual . EN escalas decimales el hombro del que se suspende la copa con pesas es 10 veces más largo que el hombro que lleva la carga. Esto hace que pesar cargas grandes sea mucho más fácil. Al pesar una carga en una báscula decimal, debes multiplicar la masa de las pesas por 10.
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El dispositivo de báscula para pesar vagones de mercancías también se basa en la regla del apalancamiento.
Las palancas también se encuentran en partes diferentes cuerpos de animales y humanos. Estos son, por ejemplo, brazos, piernas, mandíbulas. Se pueden encontrar muchas palancas en el cuerpo de los insectos (leyendo un libro sobre los insectos y la estructura de sus cuerpos), en las aves y en la estructura de las plantas.
Aplicación de la ley de equilibrio de una palanca a un bloque.
Bloquear Es una rueda con ranura, montada en un soporte. Se pasa una cuerda, cable o cadena a través de la ranura del bloque.
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Bloque fijo Se denomina bloque cuyo eje es fijo y no sube ni baja al levantar cargas (Fig.).
Un bloque fijo puede considerarse como una palanca de brazos iguales, en la que los brazos de fuerzas son iguales al radio de la rueda (Fig.): OA = OB = r. Un bloque de este tipo no proporciona una ganancia de fuerza. ( F 1 = F 2), pero le permite cambiar la dirección de la fuerza. bloque móvil - esto es un bloque. cuyo eje sube y baja junto con la carga (Fig.). La figura muestra la palanca correspondiente: ACERCA DE- punto de apoyo de la palanca, OA- fuerza del hombro R Y transmisión exterior- fuerza del hombro F. desde el hombro transmisión exterior 2 veces el hombro OA, entonces la fuerza F 2 veces menos fuerza R:
F = P/2 .
De este modo, el bloque móvil aumenta el doble de fuerza .
Esto se puede demostrar utilizando el concepto de momento de fuerza. Cuando el bloque está en equilibrio, los momentos de las fuerzas F Y R iguales entre sí. Pero el hombro de la fuerza F 2 veces el apalancamiento R, y, por tanto, el poder mismo F 2 veces menos fuerza R.
Normalmente, en la práctica se utiliza una combinación de un bloque fijo y uno móvil (Fig.). El bloque fijo se utiliza únicamente por conveniencia. No aumenta la fuerza, pero cambia la dirección de la fuerza. Por ejemplo, permite levantar una carga estando de pie en el suelo. Esto resulta útil para muchas personas o trabajadores. ¡Sin embargo, proporciona una ganancia de fuerza 2 veces mayor de lo habitual!
Igualdad de trabajo cuando se utilizan mecanismos simples. "Regla de oro" de la mecánica.
Los mecanismos simples que hemos considerado se utilizan al realizar un trabajo en los casos en que es necesario equilibrar otra fuerza mediante la acción de una fuerza.
Naturalmente, surge la pregunta: si bien se gana en poder o en camino, ¿no dan los mecanismos simples una ganancia en trabajo? La respuesta a esta pregunta se puede obtener de la experiencia.
Equilibrando dos fuerzas de diferente magnitud sobre una palanca F 1 y F 2 (fig.), ponga la palanca en movimiento. Resulta que al mismo tiempo el punto de aplicación de la fuerza menor F 2 va más allá s 2, y el punto de aplicación de la fuerza mayor F 1 - camino más corto s 1. Habiendo medido estas trayectorias y módulos de fuerza, encontramos que las trayectorias recorridas por los puntos de aplicación de fuerzas sobre la palanca son inversamente proporcionales a las fuerzas:
s 1 / s 2 = F 2 / F 1.
Así, actuando sobre el brazo largo de la palanca, ganamos fuerza, pero al mismo tiempo perdemos la misma cantidad en el camino.
Producto de fuerza F en camino s hay trabajo. Nuestros experimentos muestran que el trabajo realizado por las fuerzas aplicadas a la palanca es igual entre sí:
F 1 s 1 = F 2 s 2, es decir A 1 = A 2.
Entonces, Al utilizar el apalancamiento, no podrá ganar en el trabajo.
Al utilizar el apalancamiento, podemos ganar poder o distancia. Al aplicar fuerza al brazo corto de la palanca, ganamos en distancia, pero perdemos la misma cantidad en fuerza.
Cuenta la leyenda que Arquímedes, encantado con el descubrimiento de la regla del apalancamiento, exclamó: "¡Dadme un punto de apoyo y haré girar la Tierra!".
Por supuesto, Arquímedes no podría hacer frente a tal tarea incluso si le hubieran dado un punto de apoyo (que debería haber estado fuera de la Tierra) y una palanca de la longitud requerida.
Para elevar la Tierra sólo 1 cm, el largo brazo de la palanca tendría que describir un arco de enorme longitud. ¡Se necesitarían millones de años para mover el extremo largo de la palanca a lo largo de esta trayectoria, por ejemplo, a una velocidad de 1 m/s!
Un bloque estacionario no proporciona ninguna ganancia de trabajo, lo cual es fácil de verificar experimentalmente (ver figura). Maneras, puntos transitables aplicación de fuerzas F Y F, son iguales, las fuerzas son las mismas, lo que significa que el trabajo es el mismo.
Puedes medir y comparar el trabajo realizado con la ayuda de un bloque móvil. Para elevar una carga a una altura h mediante un bloque móvil, es necesario mover el extremo de la cuerda a la que está unido el dinamómetro, como muestra la experiencia (Fig.), a una altura de 2h.
De este modo, Al obtener el doble de fuerza, pierden el doble en el camino, por lo tanto, el bloque móvil no aumenta el trabajo.
La práctica centenaria ha demostrado que Ninguno de los mecanismos proporciona una ganancia de rendimiento. Utilizan diversos mecanismos para ganar en fuerza o en recorrido, dependiendo de las condiciones de trabajo.
Los científicos antiguos ya conocían una regla aplicable a todos los mecanismos: No importa cuantas veces ganemos en fuerza, la misma cantidad de veces perdemos en distancia. Esta regla ha sido llamada la "regla de oro" de la mecánica.
Eficiencia del mecanismo.
Al considerar el diseño y la acción de la palanca, no tomamos en cuenta la fricción ni el peso de la palanca. en estos condiciones ideales Trabajo realizado por la fuerza aplicada (a este trabajo lo llamaremos lleno), es igual a útil trabajos de elevación de cargas o superación de cualquier resistencia.
En la práctica, el trabajo total realizado por un mecanismo es siempre ligeramente mayor que el trabajo útil.
Parte del trabajo se realiza contra la fuerza de fricción en el mecanismo y moviendo sus partes individuales. Entonces, cuando se usa un bloque móvil, es necesario realizar un trabajo adicional para levantar el bloque en sí, la cuerda y determinar la fuerza de fricción en el eje del bloque.
Cualquiera que sea el mecanismo que adoptemos, el trabajo útil realizado con su ayuda constituye siempre sólo una parte del trabajo total. Esto significa que, denotando el trabajo útil con la letra Ap y el trabajo total (gastado) con la letra Az, podemos escribir:
Arriba< Аз или Ап / Аз < 1.
La relación entre trabajo útil y trabajo de tiempo completo llamado coeficiente acción útil mecanismo.
El factor de eficiencia se abrevia como eficiencia.
Eficiencia = Ap/Az.
La eficiencia generalmente se expresa como porcentaje y se denota con la letra griega η, leída como “eta”:
η = Ap/Az · 100%.
Ejemplo: Una carga que pesa 100 kg está suspendida del brazo corto de una palanca. Para levantarlo se aplica una fuerza de 250 N al brazo largo. Se eleva la carga hasta una altura h1 = 0,08 m, y se llega al punto de aplicación. fuerza motriz cayó a una altura h2 = 0,4 m Encuentre la eficiencia de la palanca.
Anotemos las condiciones del problema y resolvámoslo.
Dado :
Solución :
η = Ap/Az · 100%.
Trabajo total (gastado) Az = Fh2.
Trabajo útil An = Рh1
P = 9,8 100 kg ≈ 1000 N.
Ap = 1000 N · 0,08 = 80 J.
Az = 250 N · 0,4 m = 100 J.
η = 80 J/100 J 100 % = 80 %.
Respuesta : η = 80%.
Pero " regla de oro"También se lleva a cabo en este caso. Parte del trabajo útil, el 20%, se gasta en superar la fricción en el eje de la palanca y la resistencia del aire, así como en el movimiento de la propia palanca.
La eficiencia de cualquier mecanismo es siempre inferior al 100%. Al diseñar mecanismos, las personas se esfuerzan por aumentar su eficiencia. Para conseguirlo se reducen los rozamientos en los ejes de los mecanismos y su peso.
Energía.
En las fábricas y fábricas, las máquinas y las máquinas son accionadas por motores eléctricos, que consumen energía eléctrica (de ahí el nombre).
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Un resorte comprimido (Fig.), cuando se endereza, realiza trabajo, eleva una carga a una altura o hace que un carro se mueva. Una carga estacionaria elevada sobre el suelo no realiza trabajo, pero si esta carga cae, puede realizar trabajo (por ejemplo, puede clavar un pilote en el suelo). Todo cuerpo en movimiento tiene la capacidad de realizar un trabajo. Así, una bola de acero A (fig.) que rueda hacia abajo desde un plano inclinado, golpea un bloque de madera B y lo mueve una cierta distancia. Al mismo tiempo se hace el trabajo. Si un cuerpo o varios cuerpos que interactúan (un sistema de cuerpos) pueden realizar trabajo, se dice que tienen energía. Energía - una cantidad física que muestra cuánto trabajo puede realizar un cuerpo (o varios cuerpos). La energía se expresa en el sistema SI en las mismas unidades que el trabajo, es decir, en julios. Cuanto más trabajo puede hacer un cuerpo, más energía tiene. Cuando se realiza trabajo, la energía de los cuerpos cambia. El trabajo realizado es igual al cambio de energía. Energía potencial y cinética.Potencial (del lat. potencia - posibilidad) la energía es la energía que está determinada por la posición relativa de los cuerpos que interactúan y las partes de un mismo cuerpo. La energía potencial, por ejemplo, la posee un cuerpo elevado con respecto a la superficie de la Tierra, porque la energía depende de la posición relativa de éste y la Tierra. y su atracción mutua. Si consideramos que la energía potencial de un cuerpo que se encuentra en la Tierra es cero, entonces la energía potencial de un cuerpo elevado a una cierta altura estará determinada por el trabajo realizado por la gravedad cuando el cuerpo cae a la Tierra. Denotemos la energía potencial del cuerpo. mi n, porque mi = un, y el trabajo, como sabemos, es igual al producto de la fuerza por la trayectoria, entonces A = Fh, Dónde F- gravedad. Esto significa que la energía potencial En es igual a: E = Fh, o E = gmh, Dónde gramo- aceleración de la gravedad, metro- masa corporal, h- la altura a la que se eleva el cuerpo. El agua de los ríos represados tiene una enorme energía potencial. Al caer, el agua funciona, impulsando potentes turbinas de centrales eléctricas. La energía potencial de un martillo de copra (Fig.) se utiliza en la construcción para realizar los trabajos de hincado de pilotes. Al abrir una puerta con resorte, se realiza trabajo para estirar (o comprimir) el resorte. Debido a la energía adquirida, el resorte, al contraerse (o enderezarse), funciona y cierra la puerta. La energía de los resortes comprimidos y desenrollados se utiliza, por ejemplo, en relojes, diversos juguetes de cuerda, etc. Cualquier cuerpo elástico deformado tiene energía potencial. Energía potencial gas comprimido Se utiliza en el funcionamiento de motores térmicos, en martillos neumáticos, que se utilizan ampliamente en la industria minera, en la construcción de carreteras, excavación de suelos duros, etc. La energía que posee un cuerpo como resultado de su movimiento se llama cinética (del griego. cine - movimiento) energía. La energía cinética de un cuerpo se denota con la letra. mi A. El agua en movimiento, que impulsa las turbinas de las centrales hidroeléctricas, gasta su energía cinética y realiza trabajo. El aire en movimiento, el viento, también tiene energía cinética. ¿De qué depende la energía cinética? Pasemos a la experiencia (ver figura). Si haces rodar la bola A desde diferentes alturas, notarás que cuanto mayor es la altura desde la que rueda la bola, mayor es su velocidad y más lejos mueve el bloque, es decir, hace más trabajo. Esto significa que la energía cinética de un cuerpo depende de su velocidad. Debido a su velocidad, una bala voladora tiene una gran energía cinética. La energía cinética de un cuerpo también depende de su masa. Hagamos nuestro experimento nuevamente, pero haremos rodar otra bola de mayor masa desde el plano inclinado. La barra B se moverá más, es decir, se realizará más trabajo. Esto significa que la energía cinética de la segunda bola es mayor que la de la primera. Cuanto mayor es la masa de un cuerpo y la velocidad a la que se mueve, mayor es su energía cinética. Para determinar la energía cinética de un cuerpo se utiliza la fórmula: Ek = mv^2/2, Dónde metro- masa corporal, v- velocidad del movimiento del cuerpo. La energía cinética de los cuerpos se utiliza en tecnología. El agua retenida por la presa tiene, como ya se ha comentado, una gran energía potencial. Al caer de una presa, el agua se mueve y tiene la misma energía cinética alta. Impulsa una turbina conectada a un generador. corriente eléctrica. Debido a la energía cinética del agua se genera energía eléctrica. La energía del agua en movimiento es de gran importancia en economía nacional. Esta energía se aprovecha mediante potentes centrales hidroeléctricas. La energía del agua que cae es una fuente de energía respetuosa con el medio ambiente, a diferencia de la energía combustible. Todos los cuerpos en la naturaleza, en relación con el valor cero convencional, tienen energía potencial o cinética y, a veces, ambas juntas. Por ejemplo, un avión en vuelo tiene energía cinética y potencial en relación con la Tierra. Conocimos dos tipos de energía mecánica. Otros tipos de energía (eléctrica, interna, etc.) se discutirán en otras secciones del curso de física. Conversión de un tipo de energía mecánica en otro. El fenómeno de transformación de un tipo de energía mecánica en otro es muy conveniente de observar en el dispositivo que se muestra en la figura. Al enrollar el hilo sobre el eje, se levanta el disco del dispositivo. Un disco elevado hacia arriba tiene cierta energía potencial. Si lo sueltas, girará y empezará a caer. A medida que cae, la energía potencial del disco disminuye, pero al mismo tiempo aumenta su energía cinética. Al final de la caída, el disco tiene tal reserva de energía cinética que puede volver a elevarse casi hasta su altura anterior. (Parte de la energía se gasta trabajando contra la fuerza de fricción, por lo que el disco no alcanza su altura original). Una vez elevado, el disco vuelve a caer y luego vuelve a subir. En este experimento, cuando el disco se mueve hacia abajo, su energía potencial se convierte en energía cinética y cuando se mueve hacia arriba, la energía cinética se convierte en energía potencial. La transformación de energía de un tipo a otro también se produce cuando dos cuerpos elásticos chocan, por ejemplo, una pelota de goma en el suelo o una bola de acero sobre una placa de acero. Si levantas una bola de acero (arroz) sobre una placa de acero y la sueltas de tus manos, caerá. A medida que la pelota cae, su energía potencial disminuye y su energía cinética aumenta a medida que aumenta la velocidad de la pelota. Cuando la pelota golpea el plato, tanto la pelota como el plato se comprimen. La energía cinética que tenía la bola se convertirá en energía potencial del plato comprimido y de la bola comprimida. Luego, gracias a la acción de fuerzas elásticas, la placa y la pelota tomarán su forma original. La pelota rebotará en la losa y su energía potencial se convertirá nuevamente en energía cinética de la pelota: la pelota rebotará a una velocidad casi igual a la velocidad que tenía en el momento en que golpeó la losa. A medida que la pelota se eleva, su velocidad y, por lo tanto, su energía cinética disminuye, mientras que la energía potencial aumenta. Después de rebotar en el plato, la pelota se eleva casi a la misma altura desde la que comenzó a caer. En el punto más alto de la subida, toda su energía cinética volverá a convertirse en potencial. Los fenómenos naturales suelen ir acompañados de la transformación de un tipo de energía en otro. La energía se puede transferir de un cuerpo a otro. Por ejemplo, en el tiro con arco, la energía potencial de la cuerda tensada del arco se convierte en energía cinética de una flecha voladora. |
