Trabajo mecánico
Una de las vías de trasmisión de la energía es el trabajo mecánico.
El hombre primitivo empleaba la fuerza de sus músculos y múltiples herramientas para la realización de sus labores, después comenzó a utilizar la fuerza ejercida por animales. Estas prácticas se emplearon por un largo período de tiempo. Existen estimaciones que indican que el 90% del trabajo, en el siglo XIX, aún era realizado por hombre y animales. Posteriormente, comenzaron a utilizar cada vez más máquinas que emplean combustibles, como las de vapor y los motores de combustión, para aplicar fuerzas. Luego, históricamente el trabajo ha estado relacionado con la energía y con la aplicación de fuerzas. Esta visión del trabajo se extendió a la ciencia.
El concepto de trabajo que se usa en la vida cotidiana no siempre coincide con el que tiene para la Física.
¿Cuándo se realiza trabajo mecánico?
Estudio de caso : Reflexiona y aprende
¿En cuáles de los siguientes casos la fuerza que se destaca realiza trabajo mecánico?
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Bajo la acción del martillo la estaca penetra en la tierra. | El hombre empuja la carretilla con cierto ángulo y esta se desplaza en la dirección horizontal. | La fuerza de gravedad actúa sobre el camión y el camión se desplaza en la dirección horizontal. |
En el caso del camión la fuerza de gravedad no realiza trabajo.
Para la realización de trabajo mecánico es preciso que los puntos donde están aplicadas las fuerzas se desplacen.
Mientras mayores sean las fuerzas y los desplazamientos, mayor será la energía transformada o transmitida y en consecuencia, el trabajo realizado.
Definición : Trabajo mecánico
El trabajo realizado por una fuerza constante se define como aquella magnitud escalar que se calcula mediante el producto de los módulos de la fuerza y el desplazamiento por el coseno del ángulo entre los vectores fuerza y desplazamiento.
Fundamental : Ecuación general de trabajo
El trabajo mecánico realizado por un cuerpo se determina por la relación:
En el movimiento rectilíneo unidimensional el desplazamiento coincide con la distancia recorrida y se expresa mediante la fórmula:
Donde
d: distancia recorrida por el cuerpo.
La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el joule (J):
Recuerda que... :
Recuerda que el trabajo lo realizan las fuerzas que se aplican a un cuerpo. De acuerdo con la naturaleza de las mismas se define trabajo eléctrico, magnético o mecánico.
Saber más :
Otras unidades para expresar el trabajo mecánico
Tipos de trabajo según el ángulo formado entre la fuerza y el desplazamiento
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El signo del trabajo realizado por una fuerza queda determinado por el signo del coseno del ángulo originado entre la fuerza y el desplazamiento. En dependencia del cuadrante en que se encuentre el ángulo, el trabajo será positivo, negativo o nulo.
Trabajo de la fuerza de gravedad
La fuerza de gravedad realiza trabajo positivo si el cuerpo cae; en caso contrario, el trabajo es negativo:
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Donde
h- altura que desciende el cuerpo
m-masa del cuerpo
g – aceleración de la gravedad
: Problema resuelto
Trabajo de la fuerza de gravedad
Un lápiz cae desde una mesa. Calcula el trabajo realizado por la fuerza de gravedad. Considera que la masa del lápiz es de 10 gramos y la altura de la mesa 60 cm.
Trabajo de las fuerzas elásticas
Las fuerzas elásticas en un resorte deformado – estirado o comprimido – siempre realizan trabajo negativo.
k- constante elástica
∆x- deformación del resorte= longitud inicial-longitud final
Si consideramos que la coordenada del extremo del resorte no estirado vale cero, x=0 entonces ∆x= x , donde x es la coordenada del extremo del resorte deformado y la ecuación de trabajo se escribe como:
: Problema resuelto
Trabajo de la fuerza elástica
Un resorte se comprime 10 cm . ¿Qué trabajo realiza el resorte cuando recupera su longitud inicial? Considera que la constante elástica es de 1000 N/m.
El trabajo de la fuerza de rozamiento
Siempre es negativo, ya que esta fuerza se opone al movimiento. El ángulo que origina con respecto al desplazamiento es de 180o y el cos 180o=-1 .
Se calcula:
: Problema resuelto
Trabajo de la fuerza de rozamiento
Un auto que viaja a 90 km/h frena de pronto y recorre 50 m antes de detenerse. Considera que la fuerza de rozamiento entre las ruedas y el asfalto es de 4200 N. Calcula el trabajo realizado.
El trabajo de la resultante de un sistema es igual a la suma de los trabajos de sus componentes.
: Problema resuelto
Trabajo resultante de un sistema de fuerzas
Una caja de jabones tiene una masa de 140 kg, se arrastra 20 m sobre un piso horizontal cuando una persona le aplica una fuerza constante de 100 N que origina un ángulo de 600. El piso ejerce una fuerza de rozamiento de 30 N, calcula el trabajo resultante realizado al trasladar la caja.
: Actividad independiente
Se desea mover un estante de oficina en una empresa, sobre él actúan varias fuerzas, como se muestra en la figura. Calcula el valor del trabajo realizado sobre el debido a estas fuerzas.
Método gráfico para calcular el trabajo de una fuerza constante
El valor del trabajo puede ser determinado gráficamente, con este fin se construye el gráfico: el valor numérico del área bajo la línea generada es igual al trabajo realizado por la fuerza al desplazar un cuerpo entre dos puntos.
Saber más :
Trabajo mecánico realizado por una fuerza variable
Para realizar trabajo útil, el hombre ha utilizado y diseñado diferentes mecanismos, desde los más simples como el brazo o una palanca, hasta las complejas grúas que levantan pesos increíbles. En todos ellos, independientemente de su complejidad, se cumple una regla, conocida desde la antigüedad, que afirma la imposibilidad de ganancia de trabajo mecánico al emplear cualquier mecanismo
Saber más : Mecanismos simples
Muchas de las herramientas que utilizamos a diario son ejemplos de mecanismos simples. Ellos también están presentes en las maquinarias de las industrias y desempeñan un papel esencial en el funcionamientos de estas.
Conozca más sobre mecanismos simples
Fundamental : Regla de Oro de la Mecánica
En ningún mecanismo hay ganancia de trabajo, ya que lo que se ahorra en fuerza se pierde en distancia recorrida.