¿Qué significan el trabajo y la energía?

T= F . d . cos φ
T : el trabajo medidos en joule ( julio J )
F : la fuerza medida en newton ( N )
d : el espacio medidos en metros ( m)
El ángulo φ es el formado por la dirección de la fuerza y la dirección del desplazamiento.
En el sistema técnico, la unidad de trabajo es el kilográmetro o kilopondímetro, que es el trabajo realizado cuando elevamos 1 kilo de peso a 1 metro de altura.Su relación con el julio es: 1 kgm = 9,81 juliosEjemplo práctico:
Si elevamos un cuerpo que pesa 20 kilos a una altura de 10 metros, ¿qué trabajo se ha realizado?
20 kilos x 10 metros = 200 kilográmetros o kilopondímetros.
Ejemplo práctico:
Un turismo averiado, por agarrotamiento de los frenos, en un tramo de carretera recto a nivel, es remolcado una distancia de 5 metros, por otro automóvil, con ayuda de una sirga que forma un angulo de 10º sobre la calzada; para ello aplicamos una fuerza de 200 newton en la dirección y sentido del movimiento, actuando sobre el citado turismo una fuerza de rozamiento al estar los neumáticos frenados de 50 newton. Interesa conocer el trabajo de dichas fuerzas.
Aplicamos la formula: T= F . d . cos φDatos conocidos:
Fuerza ejercida por la sirga: 200 newton (N) sería positiva.
Fuerza de rozamiento 50 N, sería negativa.
Distancia de desplazamiento: 5 metros.
Angulo fuerza de la sirga φ : 10º
Angulo fuerza de rozamiento φ : 180º
Trabajo en el remolcado: T = 200 . 5 . cos 10º = 984,80 julios (J)
Trabajo por el rozamiento: T = – 50 . 5 . cos 180º = – 250 J
carece de energía para la realización de dicho trabajo.
Aunque solemos escuchar hablar del consumo de energía, esta nunca se destruyetan solo se transfiere de una forma a otra, y realiza un trabajo en el proceso.
En la practica, siempre que se realice un trabajo para convertir energía de una forma a otra, hay alguna pérdida en otras formas de energía, como el calor o el sonido.
¿Cómo medimos la energía y el trabajo?
En la física, la unidad estándar para medir la energía y el trabajo realizado
es el joule (julio), que se denota por el símbolo J.
En mecánica, 1 joule es la energía que se transfiere cuando se aplica una fuerza de 1 newton sobre un objeto y lo desplaza una distancia de 1 metro.
Según esté el cuerpo en movimiento o en reposo, la energía puede ser: cinética o potencial.
Energía cinética: Es la energía que posee un cuerpo en movimiento y produce una fuerza de empuje que es la causante de los desperfectos en las colisiones. Su fórmula es:
Ec= ½ . m . v²
m : masa.
v : velocidad medida en m/s.
Conocer la energía cinética o fuerza viva que poseía un vehículo implicado en un accidente de tráfico es muy importante para la reconstrucción del mismo.
Esta energía es difícil de concebir si no se recurre, como elemento comparativo, a la energía potencial.
Energía potencial: Es la energía que tiene un cuerpo debido a su posición respecto a la superficie terrestre. Formulación:
Ep = m . g . h
m : masa de un cuerpo, en kilos.
g : aceleración de la gravedad 9,81 m/s2
h : altura en la que se halla el cuerpo, en metros.
Ejercicio práctico:
Un cuerpo de 1650 kilos de peso cae desde una altura de 20 metros ¿Qué energía potencial posee dicho cuerpo?
Datos conocidos:
m : 1650 kg.
g : aceleración de la gravedad 9,81 m/s2
h : altura 20 metros.
Aplicamos la fórmula: Ep = m . g . h
Ep = 1650 . 9,81 . 20 = 323,730 julios.
Como se ha comentado anteriormente la energía cinética es difícil de concebir, por esto, en la relación con la energía potencial, se aprecia en el siguiente cuadro.
La suma de estas dos energías: cinética y potencial, se denomina energía mecánica.
Las equivalencias de dicho cuadro se han obtenido de la forma siguiente:
Energía cinética = Energía potencial
½ . m . v² = m . g . h
Como deseamos conocer la altura (h) simplificamos la fórmula suprimiendo la masa (m), por tanto quedaría:
h = v² / 2.g
Ejemplo práctico:
Si un vehículo impacta a 75 km/h., ¿A qué altura equivaldría de caída?
75 km/h = 20,83 m/s.
Aplicando la formula: h = v² / 2.g = 20,832/19,62 = 22,11 ( 1 casa de 8 pisos)
Cálculo de la energía cinética
Todo objeto (vehículo) en movimiento posee una energía cinética, que será:
Siendo:
m = Masa del vehículo (kg)
v = Velocidad, en m/s
Ec = Energía cinética, en julios
Ejemplo práctico:
Para calcular la energía cinética de un coche que circula a 80 km/h y cuya masa es de 1.650 kg, procedemos de la manera que se indica a continuación.
Lo primero que se ha de hacer es transformar las unidades a un mismo sistema. Recordemos en este punto que, para pasar de km/h a m/s, hay que dividir entre 3,6, mientras que para efectuar el cambio de unidades inverso habrá que multiplicar. Es decir, 1 m/s = 3,6 km/h.
Así, 80 km/h = 22,22 m/sgEc = ½ . m . v² = ½ . 1650 . 22,22² = 407325.93 julios
Energía de rozamiento: El rozamiento o fricción es la resistencia que dos cuerpos secos en contacto en un punto oponen al movimiento entre ambos en sentido tangencial al contacto. El rozamiento entre los cuerpos en contacto provoca pérdidas de energía de los mismos en el movimiento relativo, energía que se transforma en calor.
Eroz = Froz . L
Siendo:
Froz = µ . N . L = µ . m . g . L
µ : Coeficiente de rozamiento entre neumático y asfalto.
N : Normal (en un plano horizonal, la componente Normal es igual al peso).
L : Longitud de rozamiento.
Cálculo de la energía de rozamiento
El efecto de frenada consiste, por tanto, en transformar la energía cinética del vehículo en movimiento en calor, debido al rozamiento mutuo entre los elementos de frenado (zapatas de frenado y tambor; pastillas de freno con su disco y neumático deslizando sobre el asfalto).
Por lo tanto, cuando un cuerpo (coche) sufre un frenazo y bloquea las ruedas, la energía que se disipa en la frenada es proporcional al rozamiento del neumático con el asfalto, al peso del vehículo y a la longitud de la frenada.
Ejemplo:
Vamos a calcular la energía de rozamiento disipada por un vehículo de 1.650 kg de masa, que deja una huella de frenada de 12 metros.
Pavimento en buen estado y seco: µ = 0,8
Eroz = µ . m . g . L = 0,8 . 1.650 kg . 9,8 m /s² . 12 m = 155232 JuliosSi se conoce la energía de rozamiento disipada en los 12 metros de frenada, sin colisionar contra ningún obstáculo, se podrá calcular la velocidad que llevaba este vehículo en el momento de bloqueo de las ruedas.
Esto es así porque toda la energía cinética que poseía el vehículo la ha disipado en forma de energía de rozamiento aplicando la siguiente fórmula y despejando v:
Energía cinética = Energía rozamiento
½ . m . v² = Eroz
½ . m . v² = 155232 Julios
v = √ (155232 . 2) / 1650 = 55,77 m/s
v = 55,77 m/s . 3.6 = 200, 58 Km/h
También se podrá calcular la energía de rozamiento disipada por efecto del giro de un vehículo. La energía disipada en el giro será:
Eg = µ . N . ү . B/2
Siendo:
µ= Coeficiente de rozamiento
N = Componente normal del peso
ү = Ángulo girado en radianes
B/2 = Semibatalla del vehículo
Energía de deformación: Se refiere a la cantidad de energía almacenada en un material cuando se somete a fuerzas externas que causan cambios en su forma o tamaño. Este tipo de energía es crucial en aplicaciones de ingeniería y ciencias de materiales, ya que permite analizar cómo los materiales responden a diferentes cargas y tensiones. Comprender la energía de deformación es esencial para el análisis de colisiones, deformaciones y el diseño de estructuras seguras, mejorando así la resiliencia de los materiales utilizados en diversas industrias.
Edef = Fdef . d / 2
Siendo:
d = deformación
Energía de vuelco: Cuando un vehículo sufre un vuelco, consume una energía que se emplea en subir el centro de gravedad del vehículo.
h = altura del centro de gravedad del coche
H = distancia desde el centro de gravedad hasta el borde exterior de la rueda
CG = Centro de gravedad del vehículo
Si el vehículo vuelca, es debido a que su centro de gravedad ha superado la vertical respecto a la rueda sobre la que gira en el vuelco.
La energía de vuelco necesaria para producir el vuelco será aquella que hace subir el centro de gravedad desde h hasta H.
Ev = m . g . H – m .g . h = m . g (H – h)
Ev = m. g . ( H – h )
Cuando el vehículo vuelca, pasa por las siguientes posiciones:
Ejemplo:
Vamos a calcular la energía de vuelco necesaria para que un vehículo de 1.650 kg de masa, con altura del centro de gravedad del coche h = 0. 60 m y una distancia desde el centro de gravedad hasta el borde exterior de la rueda H= 0,95 mEv = m. g . ( H – h ) = 1650 . 9,81 . ( 0,95 – 0, 60) = 5665,27 Julios
Cómo determinar el centro de gravedad de un vehículo:
Es importante determinar el cetro de gravedad de un vehículo en una colisión, como se explicó en el apartado porque es el punto donde se concentra el peso total del automóvil.
Ejemplo:
Turismo las siguientes características:
Peso en % que soporta el eje delantero (MMA) 860 . 100 /1.660 = 52 %
Peso en % que soporta el eje trasero (MMA) 800 . 100 / 1.660 = 48 %Peso estimado eje delantero: 52% de 1.135 (tara) = 590 kg
Peso estimado eje trasero : 48% de 1.135 = 545 kg
Peso total vehículo (PTV): 1.135 + 75 + 50 = 1.260 kg
Peso total eje trasero (PTET): 545 + 50 = 595 kg
Centro de gravedad( CG ) = (B . PTET) / PTV = (2,60 . 595) / 1260 = 1,22 m Distancia de la vertical al primer eje.
En los camiones y autobuses, dependen de la carga y de la altura; a mayor altura se eleva el centro de gravedad. Un camión cargado el centro de gravedad se sitúa aproximadamente en el centro de la caja.