TRABAJO

En mecánica clásica, se dice que una fuerza realiza trabajo cuando altera el estado de movimiento de un cuerpo. El trabajo de la fuerza sobre ese cuerpo será equivalente a la energía necesaria para desplazarlo¹ de manera acelerada. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra  (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.

Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía,² nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW.

rabajo mecánico. Cuando sobre un cuerpo se ejerce una fuerza constante F y el cuerpo realiza eldesplazamiento s, en la dirección que actúa la fuerza, con ello se efectúa trabajo, igual al producto de los módulos de la fuerza y el desplazamiento.

El trabajo en el siglo XIX, muchos anos después del descubrimiento de las leyes de movimiento de Newton, apareció como una magnitud en mecánica, producto a la utilización en la humanidad de máquinas y mecanismo. Por tanto al hablar de una máquina en funcionamiento, decimos que trabaja.

HistoricismoTrabajo mecánico
Trabajo realizados por varias fuerzas

1. Durante la elevación de una contenedor o cualquier otra carga con una grúa, sobre ésta actúa la fuerza de tensión del cable, dirigida en sentido del desplazamiento hacia arriba y la fuerza de gravedad, en sentido opuesto al movimiento, o sea, hacia abajo.

1. Durante el desplazamiento de una caja de caudales por el suelo, sobre ella ejercen su efecto la fuerza muscular, con la que el hombre empuja o tira dicha caja, y la fuerza de rozamiento de desplazamiento, dirigida en sentido inverso al movimiento.

Trabajo positivo y negativo

• El trabajo cuando las direcciones de la fuerza y el desplazamiento del cuerpo coinciden es positivo.

• El trabajo realizado por una fuerza de dirección contraria al desplazamiento del cuerpo es negativo.

Trabajo realizado bajo cierto ángulo
ENTORNO Y SISTEMA

TRABAJO MECÁNICO

Figura I

Figura 2

IMPORTANCIA DEL ÁNGULO EN EL TRABAJO

POTENCIA DEL TRABAJO

El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W (del inglés Work) y en algunas bibliografías la podemos encontrar representada con la letra A:

W = Fs ó A = Fs.

Este se expresa en julios o joules (J) , recordarle que en el Sistema Internacional de Unidades se entiende por un julio, el trabajo que realiza una fuerza de 1 N al desplazarse su punto de aplicación a 1 m

1 J = 1 N*m.

En física se ha examinado el trabajo ejecutado por una fuerza dirigida en dirección al movimiento del cuerpo. En semejante caso, este último se mueve con aceleración. Sobre el cuerpo actúa no una, sino varias fuerzas.

En este caso para calcular el trabajo, se tomará en consideración el caso que el cuerpo se encuentra en movimiento rectilíneo y uniforme. En este caso, la suma vectorial de las fuerzas a las que está sometida el cuerpo es nula.

Ejemplo:

Hemos podidos experimentar en la prácticas que las fuerzas dirigidas en dirección contraria al movimiento, realizan trabajo. La suma vectorial de las fuerzas aplicada al cuerpo es igual a cero, todo debe transcurrir como si sobre él no actuara fuerza alguna. Por ende la suma del trabajo de todas las fuerzas, a la que es sometido el cuerpo, debe ser nulo también.

Se desprende de aquí que las fuerzas dirigidas en sentido contrario al desplazamiento realizan asimismo trabajo, lo único que éste tiene el signo contrario al del trabajo realizado por la fuerza dirigida en sentido del movimiento del cuerpo. Por ende, el trabajo puedes ser tanto positivo, como negativo.

Consideraciones a tener en cuenta:

Si se retoma el ejemplo uno se puede mostrar que en ese caso, la fuerza de gravedad efectúa trabajo negativo.

En la práctica se pueden encontrar muchos casos donde la dirección de la fuerza puede también no coincidir con la del desplazamiento.

Por ejemplo, un carrito de carga de los puerto deslizándose por una superficie horizontal, la fuerza, aplicada a él, esta dirigida formando ángulo & alhorizonte. En estos caso para calcular el trabajo que ejecuta la fuerza F, si el desplazamiento del trineo es igual a s.

Ahí que representar la fuerza F como la suma de dos fuerzas: F1 y F2 . Como en sentido vertical el desplazamiento del carrito es nulo, el trabajo de la fuerza F2 es igual a cero. Por esa causa, el trabajo de la fuerza F sólo será igual al de F1:

Donde: W ó A = F1s

Por lo tanto. El trabajo es igual al producto de la fuerza por la distancia y por el coseno del ángulo que existe entre la dirección de la fuerza y la dirección que recorre el carrito que se mueve.

Se muestra que: F = F1cos&, por tanto

W ó A = F1cos&s

Para calcularse el trabajo, que una fuerza constante realiza, es igual al producto de los módulos de la fuerza y el desplazamiento, multiplicado por elcoseno del ángulo entre los vectores de la fuerza y el desplazamiento.

Desde un punto de vista físico, un sistema puede ser un objeto ( o partícula), varios objetos o una región del espacio. En cualquier caso, un sistema puede cambiar de tamaño y forma, cmo una pelota de tenis que se deforma al golpear contra la raqueta.

La frontera del sistema es una superficie imaginaria que puede coincidir con una superficie física, y separa al universo en dos partes: el sistema y el entorno del sistema.

Cuando sobre un sistema mecánico se aplica una fuerza neta y esta produce desplazamiento, entonces se dice que esa fuerza efectua un trabajo mecánico, el cual puede ser positivo si el sistema gana energía o negativo si el sistema pierde energía. 

En el S.I se mide en Joule y comunmente se usa otra unidad llamada caloría, para referirse al trabajo mecánico.

1 Joule = 1 Newton · 1 metro = kg m²/s²

4,18 Joule = 1 Cal 

Como se puede observar, cuando la fuerza no va paralela al desplazamiento, sólo realiza trabajo mecánico la componente de esa fuerza que está en dirección del vector desplazamiento, por ello en la ecuación a parece la función coseno, aplicada sobre el ángulo entre ellos. Específicamente, el trabajo es el producto punto entre la fuerza y el desplazamiento.

Como hemos visto, en la ecuación de trabajo, el último término es una función conseno aplicada a un ángulo. Este ángulo nos permitirá saber cuando el trabajo es negativo, cuando es positivo y cuando es nulo.

En el primer caso cuando el trabajo es positivo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo que va desde los 0° hasta los 89°, siendo máximo cuando la fuerza y el desplazamiento van en la misma dirección y sentido ( ángulo entre ellos 0, cos 0° =1)

En el segundo caso cuando el trabajo es negativo, la fuerza y el desplazamiento  forman un ángulo mayor a 91° hasta los 180°, siendo máximo, pero de forma negativa cuando el ángulo es 180, pues cos 180° = -1 

En el tercer caso cuando el trabajo es nulo, la fuerza y el desplazamiento forman un ángulo de 90°, por lo que el cos 90° = 0, demostrando que el trabajo es cero.

La niña de la imagen aplica sobre la carretilla una fuerzaF,constante, que mantiene un ángulo θ = 60º con respecto a la horizontal. Fy y Fx son las componentes rectangulares deF. De acuerdo al planteamiento del trabajo, sólo la componente de la fuerza que es paralela al desplazamiento realiza trabajo sobre la carretilla.

Por lo general no hay sólo una fuerza aplicada sobre un sistema mecánico, para ello se calcula el trabajo hecho por cada fuerza y se suma de manera de obtener el trabajo neto.

W_neto= W_P+W_N+W_FR+W_F

La potencia se puede entender como la rapidez con la que se efectúa trabajo y se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo. La potencia mecánica se simboliza con la letra P

P = W/Δt

También la potencia la podemos expresar en término de la velocidad, para cuando la fuerza es constante

P =F v

Las unidades para la potencia en el S.I son el Watts, el cual se define como Joule/s, de esta manera las equivalencias de otras unidades con el Watts son:

1 kW= 1000 W

1 Hp=746 W