¿Qué es el trabajo en ciencias?
En la vida diaria, leer un libro parece un trabajo. En ciencias, solo se realiza trabajo cuando una fuerza mueve algo. Deben pasar dos cosas: actúa una fuerza y el objeto se mueve en la dirección de esa fuerza.
Trabajo = fuerza × distancia recorrida en la dirección de la fuerza, W = F × s.
La unidad del trabajo es el julio (J). 1 J es el trabajo que hace una fuerza de 1 newton al mover un objeto 1 metro (1 J = 1 N × 1 m).
¿Cuándo el trabajo es cero, positivo o negativo?
- Cero: empujas una pared y no se mueve (s = 0). O un cargador lleva una carga sobre la cabeza y camina por suelo plano: la fuerza va hacia arriba, el movimiento va hacia el lado, así que ni la gravedad ni su fuerza de sostén hacen trabajo.
- Positivo: la fuerza y el movimiento tienen el mismo sentido (empujas un carrito hacia delante).
- Negativo: la fuerza va en sentido contrario al movimiento (el rozamiento frena una pelota que rueda). Entonces W = −F × s.
Mira el paso 1 del 3D: cuando F = 0 la caja no se mueve y W = 0 J.
La energía y sus formas
La energía es la capacidad de realizar trabajo. Su unidad también es el julio. Un objeto con energía puede empujar, levantar o mover a otro. Un martillo en movimiento clava un clavo: tenía energía y realizó trabajo.
Formas de energía a tu alrededor: mecánica (cinética + potencial), calor, luz, sonido, química (comida, combustible), eléctrica y nuclear. Una unidad mayor es el kilojulio: 1 kJ = 1000 J.
Energía cinética (energía del movimiento)
Todo lo que se mueve tiene energía cinética. KE = ½ m v², donde m es la masa en kg y v es la rapidez en m/s. Si duplicas la rapidez, la KE se hace cuatro veces mayor, porque v está al cuadrado.
Energía potencial (energía almacenada)
Un cuerpo elevado sobre el suelo almacena energía por su altura. PE = m g h, donde g ≈ 9.8 m/s² (a menudo usamos 10). Una goma elástica estirada y un resorte enrollado también almacenan energía potencial, porque su forma ha cambiado.
La PE depende solo de la altura, no del camino que se use para subir el objeto.
Conservación de la energía
Ley de conservación de la energía: la energía no se puede crear ni destruir. Solo puede pasar de una forma a otra. La energía total se mantiene igual.
Suelta una pelota desde una altura h. Arriba solo tiene PE (mgh). Al caer, la altura baja y la rapidez sube, así que la PE se convierte en KE. Justo antes de tocar el suelo, toda la PE se ha convertido en KE. En cada punto intermedio, PE + KE = mgh = constante (si se ignora la resistencia del aire).
El paso 3 del 3D lo muestra con tres barras: la PE azul baja, la KE naranja sube y el total verde se queda a la misma altura.
Cambios de energía que ves cada día
- Linterna: química (pila) → eléctrica → luz.
- Central hidroeléctrica: PE del agua almacenada → KE → eléctrica.
- Frenos: KE de una bicicleta → calor en las zapatas del freno.
Potencia: la rapidez con que se hace un trabajo
Dos personas suben las mismas escaleras. Las dos hacen el mismo trabajo, pero la que corre termina antes. Decimos que quien corre tiene más potencia.
Potencia = trabajo realizado ÷ tiempo empleado, P = W ÷ t. Su unidad es el vatio (W): 1 W = 1 J/s. Una unidad mayor es el kilovatio: 1 kW = 1000 W.
Si la potencia cambia todo el tiempo, la potencia media = trabajo total ÷ tiempo total.
Unidad comercial de energía
Las facturas de electricidad usan el kilovatio hora (kWh), llamado una "unidad". 1 kWh es la energía que gasta un aparato de 1000 W en 1 hora. 1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3.6 × 10⁶ J.
Máquinas simples: palancas y poleas
Una máquina simple nos ayuda a hacer un trabajo con más facilidad: permite que una fuerza pequeña (el esfuerzo) mueva un peso grande (la carga), o cambia la dirección de la fuerza.
Ventaja mecánica (MA) = carga ÷ esfuerzo. Si MA = 4, un esfuerzo de 50 N puede levantar una carga de 200 N.
Palanca
Una palanca es una barra rígida que gira alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo (fulcro). Se equilibra cuando carga × brazo de la carga = esfuerzo × brazo del esfuerzo. El brazo es la distancia hasta el punto de apoyo. Así, MA = brazo del esfuerzo ÷ brazo de la carga. Si pones el punto de apoyo cerca de la carga, el brazo del esfuerzo se hace largo y necesitas menos esfuerzo.
- Clase I: el punto de apoyo está en medio (balancín, tijeras, palanca de hierro).
- Clase II: la carga está en medio (abrebotellas, carretilla, cascanueces). MA es siempre mayor que 1.
- Clase III: el esfuerzo está en medio (pinzas, tu antebrazo, caña de pescar). MA es menor que 1, pero ganas rapidez y control.
Polea
Una polea fija simple (como la de un pozo) tiene MA = 1. No reduce la fuerza, pero te deja tirar hacia abajo para subir, y eso es más fácil. Una polea móvil simple cuelga junto con la carga y tiene una MA ideal de 2. Unir varias poleas en un polipasto da una MA mayor.
Ninguna máquina da trabajo gratis. Cuando el esfuerzo es menor, hay que moverlo a lo largo de una distancia mayor. El rozamiento siempre gasta un poco de energía, así que el trabajo de salida real es menor que el de entrada.
Pruébalo en casa
Prueba de la palanca: pon un lápiz debajo de una regla de 30 cm como punto de apoyo. Coloca unas monedas en un extremo. Presiona el otro extremo con un dedo. Ahora desliza el lápiz más cerca de las monedas y presiona otra vez. ¿Qué fue más fácil? Primero predice y luego comprueba. (Respuesta: con el punto de apoyo cerca de la carga se necesita menos esfuerzo.)
Prueba de la potencia: sube un tramo de escaleras andando y mide el tiempo. Luego súbelas rápido y mide otra vez. Trabajo = tu peso (masa × 10) × altura de las escaleras. Divide entre cada tiempo para hallar tu potencia en vatios.
Fórmulas y definiciones clave
- W = F × s (julio, J)
- KE = ½ m v²
- PE = m g h
- PE + KE = constante (sin rozamiento)
- P = W ÷ t (vatio, W)
- 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J
- MA = carga ÷ esfuerzo
- Palanca: carga × brazo de la carga = esfuerzo × brazo del esfuerzo
Ejemplos resueltos
1. Una fuerza de 20 N empuja una caja 3 m por el suelo. Calcula el trabajo realizado.
W = F × s = 20 × 3 = 60 J.
2. Una pelota de 2 kg se mueve a 6 m/s. Calcula su energía cinética.
KE = ½ m v² = ½ × 2 × 6² = ½ × 2 × 36 = 36 J.
3. Una pelota de 2 kg se sube a una altura de 4 m (g = 10 m/s²). Calcula su energía potencial.
PE = m g h = 2 × 10 × 4 = 80 J.
4. Una pelota de 2 kg se suelta desde 5 m. Calcula su KE y su rapidez justo antes de tocar el suelo (g = 10).
PE arriba = 2 × 10 × 5 = 100 J. Toda se convierte en KE, así que KE = 100 J. ½ × 2 × v² = 100, luego v² = 100 y v = 10 m/s.
5. Una alumna de 50 kg sube 3 m de escaleras en 6 s. Calcula su potencia (g = 10).
W = m g h = 50 × 10 × 3 = 1500 J. P = W ÷ t = 1500 ÷ 6 = 250 W.
6. Una estufa de 1500 W funciona 2 horas al día durante 30 días. Calcula la energía usada en kWh y el coste a ₹8 por unidad.
Energía por día = 1.5 kW × 2 h = 3 kWh. En 30 días = 90 kWh. Coste = 90 × 8 = ₹720.
7. Una carga de 600 N está a 1.5 m del punto de apoyo de una palanca. El esfuerzo se aplica a 4.5 m del punto de apoyo. Calcula el esfuerzo y la MA.
600 × 1.5 = E × 4.5, luego E = 900 ÷ 4.5 = 200 N. MA = 600 ÷ 200 = 3.
8. La rapidez de un coche se duplica. ¿Cuántas veces cambia su energía cinética?
KE ∝ v². Nueva KE = ½ m (2v)² = 4 × ½ m v². Así que la KE se hace 4 veces mayor.
Errores comunes
- Decir que se hace trabajo cuando sostienes quieta una bolsa pesada. Sin movimiento, W = 0.
- Olvidar elevar al cuadrado la rapidez en KE = ½mv². Si duplicas v, la KE se hace cuatro veces mayor, no dos.
- Confundir vatio con vatio hora. El vatio es potencia (J/s); el kWh es energía.
- Pensar que una máquina da más trabajo del que le pones. Solo reduce la fuerza haciendo que te muevas más lejos.