Energía y trabajo

La energía es uno de los conceptos más importantes y todavía ambiguos en la física; Afortunadamente, la relación entre energía y trabajo puede ayudar en la comprensión de muchos problemas de física.

Energía - especialmente la energía mecánica - a menudo se define como la capacidad para trabajar, es decir, de ejercer una fuerza neta sobre un objeto que causa que se mueva una cierta distancia. Energía mecánica puede venir en forma de energía dependiente de la posición, conocido como energía potencial y energía dependiente del movimiento, llamada energía cinética. Mientras que la energía potencial y cinética de un objeto se pueden convertir uno al otro, la ley de conservación de energía dicta que la energía total de un sistema aislado permanece constante.

Este video introducir el principio trabajo-energía, discutir los conceptos de las energías cinéticas y potencial y utilizar la ley de conservación de energía para relacionar estas energías en un experimento con planeadores deslizándose por la pista.

Si bien existen numerosos tipos de energía, energía mecánica ilustra más claramente la idea que la energía es la capacidad para trabajar. Un ejemplo es cuando una bala de cañón vuela en una pared de ladrillos.

En este caso, un cuerpo, la bala de cañón, trabajar sobre un objeto, la pared, por ejercer una fuerza neta y que causa el objeto moverse a cierta distancia. Trabajo se define como el producto escalar de la fuerza aplicada y la distancia se movió. Esta fuerza aplicada debe ser en la dirección de la dislocación en orden de trabajo a realizar, es decir, puede hacer solamente el componente de la fuerza paralela al desplazamiento de trabajo.

Ahora, nos podemos relacionar con trabajo a la energía mecánica, que se compone de energía cinética y energía potencial. Tiene un cuerpo en movimiento de un lugar a otro, como el cannonball, translación energía cinética y la capacidad para trabajar.

Supón que aceleramos la salida del sol desde una velocidad inicial de vi a una velocidad final de vf - un proceso gobernado por una ecuación de cinemática. Este evento requiere una fuerza neta constante, impulsada por la segunda ley de Newton, a aplicarse sobre una cierta distancia. Combinando las dos ecuaciones, y observando que la energía cinética traslacional se define como ½mv2, está claro que el trabajo realizado en la bala de cañón, que es después veces D, es igual a la diferencia en las energías cinética finales e iniciales. Este es el principio trabajo-energía.

Cuando se trata de energía potencial, una roca en el borde de un acantilado tiene gran energía potencial gravitatoria. Sobre lanzamiento, tiene el potencial para trabajar en el suelo. Este trabajo potencial depende de la masa de la roca, la aceleración debido a la gravedad y la altura de la caída. Y este trabajo es igual a la energía potencial antes de la caída, o Pi.

Según la ley de la conversación, se puede convertir energía durante un evento, pero la energía total del sistema debe seguir siendo el mismo. Por lo tanto, la suma del potencial inicial y energías cinética debe ser igual a la suma de las energías finales. Velocidad inicial de la roca y la energía cinética son cero, mientras que su altura final y la energía potencial también son cero. Por lo tanto, la energía potencial gravitacional inicial es igual a la energía cinética traslacional final. Mediante el uso de las ecuaciones anteriores, puede establecerse una serie de relaciones entre la velocidad, altura, masa y energía.

Ahora que ha aprendido el principio trabajo-energía y ley de conservación de la energía, vamos a ver cómo pueden aplicarse estos conceptos a un experimento que involucran energía mecánica.

Este experimento consiste en un sensor de velocidad, una pista aérea, a cuadras de aluminio idénticos, un planeador, unos pesos que pueden añadirse a la vela, una escala, suministro de aire y una regla.

Coloque la vela en la balanza y registrar su masa. Conectar el aire a la pista de aire y convertirlo en medida de la altura de uno de los bloques de aluminio y registrar en el cuaderno de laboratorio. Coloque el bloque de aluminio bajo el pie de la pista de aire que se encuentra más cercano a la fuente de aire. Se trata de la configuración de altura más bajo.

Coloque la vela en su posición inicial y liberarlo del resto. Usando el sensor de velocidad, registra la velocidad del planeador como pasa la posición final en la pista. Repita este procedimiento cinco veces y calcular el promedio de la velocidad.

Coloque un bloque de aluminio adicional debajo de la pista de aire elevando la configuración de altura. Medir la diferencia entre hi y hf como antes y esto es dos veces la altura de un bloque de aluminio. Repita el conjunto de medidas de velocidad para esta configuración de altura.

Coloque un bloque de aluminio final bajo la pista de aire, suponiendo que la diferencia de altura es ahora tres veces la altura del bloque y repetir las mediciones de velocidad. A continuación, coloque algunos pesos para aumentar la masa de la vela y repita el experimento para medir las velocidades en las tres diferentes alturas.

Utilizando las ecuaciones derivadas del principio trabajo-energía, el potencial y las energías cinéticas de cada serie se puede calcular siendo consciente de las unidades para cada una de las variables. Las diferencias de energía potencial de las diferentes alturas se enumeran en la columna de la tabla de PE. Como era de esperar, la energía potencial del sistema aumenta con la altura creciente y mayor masa, lo que indica un mayor potencial para trabajar.

Los valores de la energía cinética traslacional también se encuentran en la tabla en la columna KE. Similar a la energía potencial, la energía cinética es mayor para el planeador más pesado y sin embargo la velocidad final de la vela más pesada es los mismos que el planeador más ligero. Esto es evidente de la ecuación sobre las energías donde la velocidad es solamente una función de la altura. Además, la velocidad aumenta a un ritmo proporcional a la raíz cuadrada de la altura como se esperaba.

Según la ley de conservación de la energía, las columnas de la tabla PE y KE deben ser iguales, y casi son. Las discrepancias en los dos conjuntos de valores provienen de errores en las medidas que se estiman para ser alrededor de 10% para este tipo de experimento.

Las aplicaciones que implican el principio trabajo-energía son ubicuas e involucran a todas las diferentes formas de energía.

Montañas rusas son un ejemplo perfecto de conversión de energía mecánica. La montaña masiva se detuvo inicialmente a una altura grande frente inclinada. La considerable energía potencial acumulada en la parte superior de la pendiente se convierte entonces en energía cinética para el resto del viaje. Durante el viaje en la montaña rusa experimenta un constante intercambio de energía potencial y cinética.

Reacciones químicas también exhiben la conversión de la energía con la energía que normalmente se intercambian entre la energía potencial química y energía térmica. Si la reacción es exotérmica, la energía potencial se desprende como calor al ambiente, mientras que lo contrario es cierto para las reacciones endotérmicas. Algunas reacciones exotérmicas pueden ser explosivas generando energía cinética, que trabajan en su entorno.

Sólo ha visto la introducción de Zeus para energía y trabajo por la fuerza. Ahora debe entender el concepto y la importancia del principio trabajo-energía y cómo la ley de conservación de la energía puede relacionarse con energías cinética y potencial. ¡Gracias por ver!