Trabajo mecánico y energía — Apertura del Tema 12

Esta página es la apertura del Tema 12 y no presenta ejercicios numéricos: reúne la imagen de introducción, el criterio de evaluación, el objetivo y las preguntas de Saberes previos.

Criterio de evaluación CE.CN.F.5.13

Determinar mediante ejercicios de aplicación el trabajo mecánico con fuerzas constantes, la energía mecánica, la conservación de energía, la potencia y el trabajo negativo producido por las fuerzas de fricción al mover un objeto a lo largo de cualquier trayectoria cerrada.

Las magnitudes involucradas se relacionan por:

W = F \cdot d \cdot \cos \theta

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

E_m = E_c + E_p = \frac{1}{2}mv^{2} + mgh

W_{fric} = -f_{fric} \cdot d

Objetivo OG.CN.3

Integrar conceptos biológicos, químicos, físicos, geológicos y astronómicos para comprender la ciencia, la tecnología y la sociedad, ligados a inventar, innovar y dar soluciones a la crisis socioambiental.

Lectura del diagrama

La figura muestra un sistema de polea fija (izquierda) y otro con fuerzas sobre un objeto (derecha): al tirar de la cuerda se aplica una fuerza que realiza trabajo sobre la masa, elevándola y aumentando su energía potencial gravitatoria; a cambio, disminuye su energía cinética o la del tirador. Es el ejemplo prototípico de transformación de energía y de trabajo con fuerza constante.

Preguntas de Saberes previos (orientativas)

P1. ¿Qué entiendes por trabajo en la vida cotidiana y cómo crees que se relaciona con la energía?

En la vida cotidiana decimos que alguien "trabaja" al aplicar una fuerza para mover algo (cargar bolsas, empujar un carro, levantar un bulto). En Física, trabajo es la transferencia de energía que ocurre cuando una fuerza desplaza un objeto en la dirección de la fuerza. Justamente por eso están relacionados: el trabajo es el mecanismo por el cual la energía se transfiere de un cuerpo a otro; si se realiza trabajo positivo sobre un objeto, su energía aumenta en la misma cantidad.

P2. ¿Puedes mencionar situaciones en las que se realice trabajo y cómo eso afecta a la energía de un objeto?

• Al levantar una mochila de 10 kg a 1 m de altura: la fuerza de los brazos es de F = mg = 10 \cdot 9{,}8 = 98 \, \text{N}, el trabajo es W = 98 \cdot 1 = 98 \, \text{J} y la energía potencial gravitatoria aumenta en \Delta E_p = mgh = 98 \, \text{J}.
• Al empujar un mueble sobre un piso rugoso: la fuerza realiza trabajo positivo (la energía cinética del mueble aumenta) pero la fricción realiza trabajo negativo (W_{fric} < 0), que se transforma en calor y reduce el aumento neto de energía.
• Al frenar una bicicleta: la fuerza de frenado es opuesta al movimiento, realiza trabajo negativo y disminuye la energía cinética del vehículo, transformándola en calor en los pastillas y el aire.

Respuesta orientativa: el trabajo cuantifica la energía que se intercambia; donde hay fuerza que desplaza, hay transferencia de energía (la suma de trabajo y transferencia de calor iguala la variación de energía interna y de energía mecánica según el tipo de sistema).