Tippens fisica 7e_diapositivas_08b

Capítulo 8B – Trabajo y energía
Presentación PowerPoint de
Paul E. Tippens, Profesor de Física
Southern Polytechnic State University
©

2007

El Ninja, una montaña rusa en Six Flags de
Georgia, tiene una altura de 122 ft y una
rapidez de 52 mi/h. La energía potencial
debida a su altura cambia a energía cinética de
movimiento.

Objetivos: Después de completar
este módulo, deberá:
• Definir energía cinética y energía potencial,
junto con las unidades apropiadas en cada
sistema.
• Describir la relación entre trabajo y energía
cinética, y aplicar el TEOREMA TRABAJOENERGÍA.
• Definir y aplicar el concepto de POTENCIA,
junto con las unidades apropiadas.

Energía
Energía es cualquier cosa que se puede
convertir en trabajo; es decir: cualquier cosa
que puede ejercer fuerza a través de una
distancia.
distancia

Energía es la capacidad para realizar trabajo.

Energía potencial
Energía potencial: Habilidad para
efectuar trabajo en virtud de la posición
o condición.
condición

Un peso suspendido

Un arco estirado

Problema ejemplo: ¿Cuál es la energía
potencial de una persona de 50 kg en un
rascacielos si está a 480 m sobre la calle?

Energía potencial gravitacional
¿Cuál es la E.P. de una persona
de 50 kg a una altura de 480 m?
U = mgh = (50 kg)(9.8 m/s2)(480 m)

U = 235 kJ
U = 235 kJ

Energía cinética
Energía cinética: Habilidad para realizar
trabajo en virtud del movimiento. (Masa
con velocidad)
Un auto que
acelera o un
cohete espacial

Ejemplos de energía cinética
¿Cuál es la energía cinética de una bala
de 5 g que viaja a 200 m/s?
5g

K = mv = (0.005 kg)(200 m/s)
2

1
2

1
2

K = 100 J
K = 100 J
¿Cuál es la energía cinética de un auto
de 1000 kg que viaja a 14.1 m/s?

200 m/s

K = mv = (1000 kg)(14.1 m/s)
1
2

2

1
2

K = 99.4 J
K = 99.4 J

2

2

Trabajo y energía cinética

Una fuerza resultante cambia la velocidad de
un objeto y realiza trabajo sobre dicho objeto.
vf
x
vo
F
F
m
m

Trabajo = Fx = (ma)x;
Trabajo =

1
2

a=

v −v

2
mv 2 − 1 mv0
f
2

2
f

2
0

2x

El teorema trabajo-energía
El trabajo es
2
Trabajo = 1 mv 2 − 1 mv0
f
igual al cambio
2
2
en½mv2
Si se define la energía cinética como ½mv2
entonces se puede establecer un principio
físico muy importante:
El teorema trabajo-energía: El trabajo
realizado por una fuerza resultante es igual al
cambio en energía cinética que produce.

Ejemplo 1: Un proyectil de 20 g golpea un banco
de lodo y penetra una distancia de 6 cm antes de
detenerse. Encuentre la fuerza de frenado F si la
velocidad de entrada es 80 m/s.

0
Trabajo = ½ mvf2 - ½ mvo2

F x = - ½ mvo2

80 m/s

6 cm

x

F=?

F (0.06 m) cos 1800 = - ½ (0.02 kg)(80 m/s)2
F (0.06 m)(-1) = -64 J

F = 1067 N
F = 1067 N

Trabajo par detener la bala = cambio en E.C. para la bala

Ejemplo 2: Un autobús aplica los frenos para evitar u
accidente. Las marcas de las llantas miden 80 m de
largo. Si µk = 0.7, ¿cuál era la rapidez antes de aplica
los frenos?

Trabajo = ∆K

Trabajo = F(cos θ) x
f = µk.n = µk mg
Trabajo = - µk mg x

25 m

f

0
∆K = ½ mvf2 - ½ mvo2

-½ ∆K o= = -µk mg x
mv 2 Trabajo
vo = 2(0.7)(9.8 m/s2)(25 m)

vo =

2µkgx

voo = 59.9 ft/s
v = 59.9 ft/s

Ejemplo 3: Un bloque de 4 kg se desliza desde el
reposo de lo alto al fondo de un plano inclinado de
300. Encuentre la velocidad en el fondo. (h = 20 m
µk = 0.2)

h

x

f
n

n

mg

300

Plan: Se debe calcular tanto
el trabajo resultante como el
desplazamiento neto x.
Luego se puede encontrar la
velocidad del hecho de que
Trabajo = ∆K.

Trabajo resultante = (Fuerza resultante por el
plano) x (desplazamiento
por el plano)

Ejemplo 3 (Cont.): Primero encuentre
el desplazamiento neto x por el plano:
f
h
mg

x

n
300

h

x
300

Por trigonometría, se sabe que sen 300 = h/x y:

h
sen 30° =
x

20 m
x=
= 40 m
sen 30°

Ejemplo 3 (Cont.): A continuación encuentre el
trabajo resultante en el bloque de 4 kg. (x = 40 m
µk = 0.2)
Dibuje diagrama de cuerpo libre para encontrar la fuerza
resultante:

f
h

mg

n

y

f

x = 40 m

n

mg cos 30

0

300

mg sen 300
x

300

mg
Wx = (4 kg)(9.8 m/s2)(sen 300) = 19.6 N
Wy = (4 kg)(9.8 m/s2)(cos 300) = 33.9 N

Ejemplo 3 (Cont.): Encuentre la fuerza resultan
sobre el bloque de 4 kg. (x = 40 m y µk = 0.2)

f
33.9 N
300

Fuerza resultante por el
plano: 19.6 N - f

y

n

19.6 N

mg

x

Recuerde que fk = µk n
ΣFy = 0 o

n = 33.9 N

Fuerza resultante = 19.6 N – µkn ; y µk = 0.2
Fuerza resultante = 19.6 N – (0.2)(33.9 N) = 12.8 N

Fuerza resultante por el plano = 12.8 N

Ejemplo 3 (Cont.): El trabajo resultante sob
el bloque de 4 kg. (x = 40 m y FR = 12.8 N)
N
x
FR
300

(Trabajo)R = FRx
Trabajo neto = (12.8 N)(40 m)

Trabajo neto = 512 J

Finalmente, se puede aplicar el teorema trabajoenergía para encontrar la velocidad final:
0

Trabajo =

1
2

mv − mv
2
f

1
2

2
0

Ejemplo 3 (Cont.): Un bloque de 4 kg se desliza des
el reposo de lo alto al fondo del plano de 300. Encuen
la velocidad en el fondo. (h = 20 m y µk = 0.2)

h

x

f
n

n

mg

300

Trabajo resultante = 512 J
El trabajo realizado sobre el
bloque es igual al cambio
en E.C. del bloque.

0
½ mvf2 - ½ mvo2 = Trabajo
½(4 kg)vf2 = 512 J

½ mvf2 = 512 J
vf f = 16 m/s
v = 16 m/s

Potencia

La potencia se define como la tasa a la
que se realiza trabajo: (P = dW/dt )

t

F
m

4s

10 kg

h

20 m

mg

Trabajo Fx
Potencia =
=
tiempo
t

mgr (10kg)(9.8m/s 2 )(20m)
P=
=
t
4s

P = 490 J/s or 490 watts (W)
La potencia de 1 W es trabajo realizado a
una tasa de 1 J/s
una tasa de 1 J/s

Unidades de potencia
Un watt (W) es trabajo realizado a la tasa
de un joule por segundo.
1 W = 1 J/s y 1 kW = 1000 W

Un ft lb/s es una unidad (SUEU) más vieja.
Un caballo de fuerza es trabajo realizado a
la tasa de 550 ft lb/s. (1 hp = 550 ft lb/s)

Ejemplo de potencia
¿Qué potencia se consume al levantar
1.6 m a un ladrón de 70 kg en 0.50 s?

Fh mgh
P=
=
t
t

2

(70 kg)(9.8 m/s )(1.6 m)
P=
0.50 s
Potencia consumida: P = 2220 W
Potencia consumida: P = 2220 W

Ejemplo 4: Un cheetah de 100 kg se
mueve desde el reposo a 30 m/s en 4
s. ¿Cuál es la potencia?
Reconozca que el trabajo es igual
al cambio en energía cinética:

Trabajo =

P=

1
2

1
2

mv − mv

mv 2
f
t

2
f

1
2

2
0

Trabajo
P=
t

m = 100 kg

(100 kg)(30 m/s) 2
=
4s
1
2

Potencia consumida: P = 1.22 kW
Potencia consumida: P = 1.22 kW

Potencia y velocidad

Recuerde que la velocidad promedio o
constante es la distancia cubierta por
unidad de tiempo v = x/t.
P=

Fx

=F

x

P = Fv

t
t
Si la potencia varía con el tiempo, entonces
se necesita cálculo para integrar sobre el
tiempo. (Opcional)

Dado que P = dW/dt:

Trabajo =

∫ P(t )dt

Ejemplo 5: ¿Qué
potencia se requiere para
elevar un elevador de 900
kg con una rapidez
constante de 4 m/s?
P = F v = mg v
P = (900 kg)(9.8 m/s2)(4 m/s)
P = 35.3 kW
P = 35.3 kW

v = 4 m/s

Ejemplo 6: ¿Que potencia realiza una
podadora de 4 hp en una hora? El factor

de conversión es: 1 hp = 550 ft lb/s.
 550ft ⋅ lb/s 
4hp 
 = 2200 ft ⋅ lb/s
 1hp

Trabajo
P =
; Trabajo = Pt
t

Trabajo = (2200ft. lb/s)(60 s)

Trabajo = 132,000 ft lb
Trabajo = 132,000 ft lb

Resumen
Energía potencial: Habilidad para realizar
trabajo en virtud de la posición o condición.
condición

Energía cinética: Habilidad para realizar
trabajo en virtud del movimiento. (Masa con
velocidad)

U = mgh
K = 1 mv 2
2

Trabajo = ½ mvf22-- ½ mvoo22
Trabajo = ½ mvf ½ mv

Resumen (Cont.)
La potencia se define como la tasa a
Trabajo
P =
la que se realiza trabajo: P = dW/dt
t
Potencia =

Trabajo F ⋅ r
=
tiempo
t

P= F v

una tasa de 1 J/s
una tasa de 1 J/s

CONCLUSIÓN: Capítulo 8B
Trabajo y energía

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