Trabajo Potencia, Energia, Mecanico

TRABAJO MECANICO

   
1.1 Trabajo mecánico
Concepto
El concepto de trabajo mecánico en la vida diaria es muy intuitivo. Cuando una persona sube un objeto pesado desde la calle hasta un edificio, efectúa un trabajo. En el lenguaje corriente, la realización de un trabajo se relaciona con el consumo de energía. Así, los conceptos de trabajo y energía aparecen identificados no sólo en las teorías físicas, sino también en el lenguaje coloquial.
Como has visto en el apartado anterior, para que se produzca trabajo es necesario que exista una fuerza que provoque un desplazamiento a un sistema o parte del mismo.

Por lo tanto, para definir matemáticamente el trabajo se necesita una fuerza F que actúe sobre un cuerpo produciendo un desplazamiento de su punto de aplicación Δr. La situación más sencilla es cuando la fuerza F es constante y el objeto se desplaza en línea recta sobre una superficie horizontal. En el caso general de que la dirección de la fuerza forme un ángulo α respecto a la dirección de desplazamiento, el esquema de la situación será tal y como se representa en la siguiente figura:


Imagen 3. Elaboración propia
Debido a que únicamente la componente de la fuerza que provoca movimiento realiza trabajo -en este caso es la componente sobre el eje x,  Fx= F • cos - el trabajo mecánico realizado dependerá sólo de ella y podremos enunciar la definición de trabajo mecánico:

Se denomina trabajo mecánico (W) realizado por una fuerza F que actúa sobre un cuerpo, al producto escalar de la fuerza (F) por el desplazamiento (Δr) experimentado.


La unidad de trabajo en el Sistema Internacional es el Julio (J), definida como el trabajo realizado por una fuerza de 1 N cuando su punto de aplicación se desplaza 1 m en la misma dirección y sentido que la propia fuerza (1 J = 1 N•m)

TRABAJO ENERGIA

Todos hemos oído hablar de la energía: ésta puede transformarse (de una forma de energía a otra), transferirse (pasar de un cuerpo a otro) y “perderse” (transformarse en otra energía no aprovechable) . Ahora bien, si pedimos una definición de la misma, es difícil que se dé una definición clara; el concepto físico de energía es relativamente moderno y complejo.
Históricamente, se comienza a hablar de energía por parte del físico inglés T. Young a principios del s. XIX como la capacidad de un sistema para realizar un trabajo. Esta definición se realiza a partir de los experimentos de este científico que demostraron que, cuando se realizaba un trabajo mecánico sobre un sistema, la energía del mismo aumentaba.
Así, cuando un objeto era capaz de realizar trabajo, contenía energía. Esta relación entre trabajo y energía implicaba que se trataba de la misma magnitud, y que por tanto debía medirse en las mismas unidades. Pero pronto se comprobó que un sistema no ganaba ni perdía energía únicamente mediante la realización de un trabajo mecánico, sino que también podía hacerlo a través de intercambios de calor con el entorno, por lo que unas décadas después el alemán H. Hetmholz definió la energía como "Una propiedad que se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza".
Actualmente se acepta la definición de energía como:

Energía es la capacidad de un sistema o cuerpo para producir transformaciones en otros cuerpos o sobre sí mismo.
La energía se mide en Julios, igual que el trabajo.

Existen distintos tipos de energía, pero todas ellas verifican una serie de características comunes:
La energía se transfiere. La energía se presenta en formas diversas, y en un proceso de cambio puede transformarse de una forma a otra y entre los cuerpos intervinientes.
La energía se conserva en todos los procesos. Aun cuando la energía se transfiera en un proceso, la cantidad total existente es siempre constante. En otras palabras: "La energía no se crea ni se destruye, sólo se transforma".
La energía se degrada. No toda la energía es igualmente aprovechable: mientras que podemos utilizar prácticamente toda la energía almacenada en una batería para hacer funcionar nuestro teléfono móvil, al quemar unas ramas de madera únicamente una pequeña fracción puede aprovecharse de forma útil. Mientras que muchas formas de energía pueden transformarse íntegramente en energía térmica, la energía térmica no puede transformarse sino en pequeños porcentajes en otros tipos de energía. Por ello se puede decir que la energía térmica es un tipo de energía degradada. El estado de degradación de una energía a nivel microscópico tiene que ver con el movimiento ordenado o no de las partículas que componen el sistema: cuanto más ordenado sea, más sencillo será convertir dicha energía en algún tipo útil.
Por tanto, la calidad de una forma de energía puede evaluarse como la capacidad que presenta para realizar trabajo.
La física moderna ha demostrado que energía y materia están íntimamente relacionadas; de hecho, ambas son distintas manifestaciones de un mismo concepto, pudiéndose convertir materia en energía y viceversa.
Fue Albert Einstein quien estableció la famosa ecuación que las relaciona:

en la cual E es la energía, m la masa y c la velocidad de la luz en el vacío, que es constante e igual a 300000 km/s (3•108m/s).
Una consecuencia de esta relación es la posibilidad de obtener grandes cantidades de energía a partir de los procesos nucleares, como las reacciones de fisión (centrales nucleares) y de fusión (estrellas, bombas nucleares), en las que existe una pérdida de masa que se transforma en energía.

TRABAJO POTENCIA
 
Cuando nos planteamos la compra de un automóvil, uno de los factores que se tienen en cuenta para su elección es la potencia de su motor, que condiciona tanto su uso (arrastre de remolques, facilidad en los adelantamientos, etc...) como su coste (los impuestos varían en función de la potencia fiscal, directamente relacionada con ésta). En las competiciones del motor, la mayor parte de las veces las diferencias de potencia entre los vehículos participantes marcan la diferencia en el resultado de la carrera. Pero, ¿qué entendemos por potencia?

Ya se ha indicado que para cualquier máquina en general no sólo es importante que pueda realizar un determinado trabajo sino que además éste debería poder realizarse en el mínimo tiempo posible. En otras palabras, resulta más importante conocer la rapidez con la que se transfiere la energía que la magnitud de ésta.

La potencia se introduce para poder comparar la rapidez con la que las máquinas realizan un mismo trabajo; así, un motor más potente será capaz de acelerar más rápidamente un vehículo que otro menos potente y será por tanto considerado más eficaz.

En un mundo tecnológico como en el que vivimos, las máquinas realizan fácilmente cualquier trabajo, incluidos algunos que serían imposibles de realizar por seres humanos.

Además, estas máquinas son tanto más útiles cuanto menor sea el tiempo que emplean en realizar un mismo trabajo.

Imagen 7. NASA, dominio público

Imagina el caso del lanzamiento de un cohete espacial: el trabajo necesario para vencer la fuerza de la gravedad y conseguir escapar del campo gravitatorio terrestre es muy grande, ya que se trata de mecanismos de muchísimas toneladas de masa. El lugar del lanzamiento y la "ventana" horaria para hacerlo son estudiados cuidadosamente para minimizar los tiempos de viaje y el consumo de combustible.
Llevando estos parámetros al estudio energético que afrontamos en este tema, son dos conceptos físicos involucrados:
1) La potencia: relaciona el trabajo con el tiempo necesario para realizarlo. En este caso, cuanto menos tarde el cohete en cumplir su misión, menos riesgos existen de que algo salga mal y antes se pone en valor su misión. Además, los motores que lo propulsan deben tener la suficiente potencia como para permitir su despegue.
2) El rendimiento: relaciona el trabajo realizado con el máximo teórico que podría obtenerse. Como cualquier motor, los cohetes necesitan combustible. Cuanto más trabajo por unidad de masa de combustible puedan obtener, menor cantidad del mismo será necesaria, con lo que se consigue un triple objetivo: es necesario elevar menos peso, ya que los depósitos no deben ser tan grandes, ahorro económico y, finalmente y no por ello menos importante, reducir las emisiones nocivas al medio ambiente.

La magnitud que mide la rapidez con que se transfiere la energía se denomina Potencia (P) .
La potencia se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo:

La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el vatio (W), correspondiente la realización del trabajo de 1 Julio en 1 segundo.
Dado que el vatio es una unidad demasiado pequeña como para resultar útil para expresar potencias habituales, se utilizan múltiplos de la misma, como el kilovatio (1 kW = 1000 W) o el megavatio (1 MW = 106 W).

Otra unidad de uso habitual en motores es el caballo de vapor (CV), siendo la equivalencia 1 CV = 735 W.

El consumo eléctrico, mostrado en la factura que nos envía la compañía eléctrica todos los meses, se indica en kilovatios-hora (kW•h).

Un error que se comete habitualmente es referirse a este dato como la potencia consumida, cuando realmente se trata de una medida de la energía consumida.
El kilovatio-hora es una unidad de trabajo, cuya equivalencia en julios puede calcularse fácilmente:
1 kW•h = 1000 W•3600 s = 3.6•106 W•s = 3.6•106 J