Si alguna vez has visitado una estación de tren, probablemente hayas visto a los coolies de la estación. El coolie coloca el equipaje en el suelo y lo agarra para evitar que se vuelque. Luego, el culi levanta y baja el equipaje hasta que llega al suelo. Qué está pasando aquí? Podemos ver que se ha hecho algo de trabajo en esta área. Entonces, ¿qué es exactamente el trabajo? Echemos un vistazo a la información a continuación.
¿Qué es trabajo?
El trabajo es la fuerza que hace que un elemento se mueva o se desplace. En el caso de una fuerza constante, es el producto escalar de la fuerza ejercida sobre un objeto y el desplazamiento generado por esa fuerza.
A pesar de que tanto la fuerza como el desplazamiento son variables vectoriales, no tiene dirección debido a la naturaleza de un producto escalar. Cuando aplicamos una fuerza que produce un movimiento en un elemento a lo largo de una distancia, se dice que estamos realizando un trabajo. El trabajo ocurre solo cuando un elemento se levanta o se mueve, de acuerdo con la definición física. Sin embargo, no se trata de un artículo en una ubicación fija.
El trabajo se expresa en una variedad de formas dependiendo de la situación. Por ejemplo, el trabajo realizado al comprimir gas a una temperatura constante es el producto de la presión por el cambio de volumen. Transmite energía al cuerpo, por lo que la cantidad de trabajo realizado sobre el cuerpo es proporcional al aumento de la energía del cuerpo. Si la fuerza aplicada se opone al movimiento del objeto, el trabajo realizado se considera negativo, lo que implica que se está eliminando energía del objeto.
“A pesar de trabajar duro, ningún trabajo se completa”
Considere el siguiente escenario: un mesero lleva una bandeja por encima de su cabeza con un brazo mientras camina a una velocidad constante por una habitación, a pesar de que podría creer que está trabajando duro.
Sin embargo, no está trabajando en el sentido científico. El camarero empuja la bandeja sobre su cabeza con vigor, y la bandeja cruza la habitación a medida que avanza. Sin embargo, el hecho de que el camarero levante la bandeja no tiene ningún efecto sobre el movimiento de la bandeja. Para crear un desplazamiento, debe haber una fuerza en la dirección del desplazamiento.
- Trabajo realizado por una fuerza constante
Cuando una fuerza actúa sobre un objeto a lo largo de una gran distancia, el objeto se somete a trabajo. Físicamente, el trabajo realizado sobre un elemento es el cambio en la energía cinética que atraviesa el objeto.
- Trabajo realizado por el Sistema
Cuando hablamos de trabajo, nos enfocamos en el impacto que tiene el sistema en su entorno. Como resultado, consideramos que el trabajo es bueno cuando el sistema intenta mejorar el medio ambiente (es decir, la energía sale del sistema). Si se realiza trabajo sobre el sistema, el trabajo es negativo (es decir, se agrega energía al sistema).
Científicamente, los lugares donde se realiza la actividad científica son los siguientes:
- La salida de la turbina.
- Se está lanzando un cohete.
- Se utiliza una bomba para extraer agua.
- Un vehículo con un motor de combustión interna.
Fórmula para el trabajo realizado
Considere un bloque que descansa sobre una superficie horizontal lisa. Este bloque está sujeto a una fuerza constante F. El objetivo de esta fuerza es impulsar el cuerpo una distancia particular en línea recta en la dirección de la fuerza. El producto de la magnitud de la fuerza aplicada y la distancia recorrida por el cuerpo es igual al trabajo total realizado por esta fuerza.
La fórmula del trabajo científicamente realizado será la siguiente:
W = F re
La fuerza que actúa sobre el bloque es constante en este ejemplo, pero la dirección de la fuerza y la dirección del desplazamiento afectado por ella no lo son. La fuerza F reacciona en un ángulo θ al desplazamiento d en este caso.
W = (|F| cosθ) |d|
dónde,
- F es la fuerza,
- θ es el ángulo entre el vector fuerza y el vector desplazamiento,
- d es el desplazamiento causado por la fuerza, &
- W es el trabajo realizado por la fuerza.
Fórmula de dimensión y unidades de trabajo:
- El trabajo tiene la misma dimensión que la energía y está representado por [ML 2 T –2 ] . Se define como el producto de la magnitud del desplazamiento d y la componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento.
- El Joule (J) es la unidad de trabajo del SI, y se define como el trabajo realizado por una fuerza de 1 Newton al mover un objeto una distancia de 1 metro en la dirección de la fuerza.
Factores que afectan el trabajo
Veamos los elementos que influyen en cuánto trabajo puede realizar una fuerza sobre un objeto.
- Fuerza: se describe como un empujón o un tirón que puede alterar la velocidad y la aceleración de cualquier objeto con masa. Tanto la cantidad como la dirección de la fuerza son cantidades vectoriales. Si la fuerza que actúa sobre un elemento es cero, independientemente de si el objeto está en un estado dinámico o estático, la fuerza no realiza trabajo.
- Desplazamiento: Es una cantidad vectorial que representa la distancia más pequeña entre las posiciones inicial y final de un objeto. El trabajo neto realizado por una fuerza que actúa sobre un elemento es cero si el desplazamiento resultante en la dirección de la fuerza es cero. Por ejemplo, si empujamos una pared dura con todas nuestras fuerzas pero aún no logramos moverla, podríamos decir que no hemos hecho ningún trabajo en la pared.
- El ángulo entre el vector de fuerza y el vector de desplazamiento: dependiendo de la dirección de desplazamiento del elemento con respecto a la fuerza, el trabajo realizado por la fuerza puede ser positivo, negativo o cero. El trabajo realizado por la fuerza de fricción sobre un elemento que se mueve en dirección opuesta a la dirección de la fuerza, como la fricción que actúa sobre un objeto que se desplaza hacia adelante, es negativo. Cuando el ángulo de desplazamiento es perpendicular a la dirección de la fuerza, un elemento experimenta fuerza cero.
Tipos de trabajo realizado
- Trabajo positivo:
Cuando una fuerza mueve un elemento en una dirección positiva, el trabajo realizado se considera positivo. El movimiento de una pelota que cae hacia la tierra, con el desplazamiento de la pelota en la dirección de la gravedad, es un ejemplo de este tipo de trabajo.
Cuando se aplica fuerza a un elemento en un ángulo 0 ≤ θ < 90° , se dice que es trabajo positivo.
- Trabajo negativo:
Cuando la fuerza y el desplazamiento tienen direcciones opuestas, se considera que el trabajo es negativo. Por ejemplo, si se lanza una pelota hacia arriba, el desplazamiento será hacia arriba; sin embargo, la fuerza debida a la gravedad será hacia abajo.
Cuando se aplica una fuerza a un elemento en un ángulo de 90° ≤ θ < 180° , se dice que es trabajo positivo.
- Trabajo cero:
El trabajo total realizado por la fuerza sobre el objeto es 0 si la dirección de la fuerza y el desplazamiento son perpendiculares entre sí. Cuando empujamos con fuerza contra una pared, por ejemplo, la fuerza que estamos ejerciendo sobre la pared es ineficaz ya que el desplazamiento de la pared es igual a d = 0.
Ejemplos de preguntas
Pregunta 1: La cuerda tira de la caja por el suelo, creando un ángulo de 30° con la superficie horizontal. La caja se arrastra durante 20 metros, con una fuerza de 90 N aplicada por la cuerda. ¿Dónde puedo encontrar el trabajo final de la fuerza?
Responder:
Aquí,
El ángulo entre la fuerza y el desplazamiento, θ = 30°
El desplazamiento de la caja, d = 20 m
La fuerza aplicada sobre la caja, F = 90 N
Entonces, el trabajo total realizado por la fuerza es,
W = F re cosθ = 90 × 20 × 0,866 J
= 1558,8 J ≈ 1560 J
Por lo tanto, el trabajo realizado por la fuerza es 1560 J.
Pregunta 2 : Con una fuerza de 10 N aplicada en un ángulo de 60 ° con respecto a la horizontal, una niña empuja un carrito de juguete desde el estado estacionario en el piso horizontal. El coche de juguete pesa 4 kg. En 10 segundos, ¿puedes encontrar el trabajo de la chica?
Responder:
Inicialmente, podemos resolver la fuerza en dos componentes, como el componente horizontal y vertical;
Componente horizontal = 10 cos60° = 5 N
Componente vertical = 10 sen60° = 8,66 N
Ahora tenemos que averiguar cuánto trabajo hemos hecho y cuánto hemos viajado.
La fuerza horizontal ahora será la única fuente de aceleración para ese carrito de juguete.
Aceleración, a = F⁄m = 5 N ⁄ 4 kg = 1,25 m ⁄ s²
Podemos obtener el desplazamiento a partir de la fórmula:
s = ut + 1⁄2 a t² = 0 + 0,5 × 1,25 × 10² m = 62,5 m
Entonces, el trabajo realizado será:
W = F s = 5 × 62,5 J= 312,5 J
Por tanto, el trabajo realizado por el automóvil es 312,5 J.
Pregunta 3: ¿El esfuerzo realizado por la gravedad cuando un cuerpo cae libremente bajo la gravedad es positivo o negativo?
Responder:
El trabajo realizado por una fuerza que actúa sobre un cuerpo es positivo si la fuerza tiene una componente en la dirección del desplazamiento. Como resultado, cuando un cuerpo cae libremente bajo la influencia de la gravedad, el trabajo realizado por la gravedad es positivo.
Pregunta 4: ¿El trabajo realizado por la fricción cuando un cuerpo se desliza contra una superficie rugosa es positivo o negativo?
Responder:
Cuando una fuerza que actúa sobre un cuerpo tiene una componente en la dirección opuesta al desplazamiento, el trabajo de la fuerza es negativo. Como resultado, la fuerza de fricción sobre el cuerpo realiza un trabajo negativo.
Pregunta 5: Superman usa la fuerza para evitar que un vehículo ruede cuesta abajo. ¿Es este un ejemplo de trabajo que se ha completado?
Responder:
No. No se realiza trabajo ya que no hay desplazamiento. Solo sostiene el automóvil para evitar que se caiga por la pendiente.