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www.mafime.webnode.es ACTIVIDADES PARA LA ASIGNATURA FÍSICA Melquisedec Lemos García. Lic: Matemáticas y física. GUÍA: TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA MECÁNICA. LOGROS. Defino los conceptos de trabajo, potencia y diferencia sus unidades. Establezco las condiciones para que una fuerza que actúa sobre un cuerpo realice trabajo. Realizo problemas de aplicación de trabajo y potencia. ACTIVIDADES Y ESTRATEGIAS DE APRENDIZAJE Describe los conceptos trabajo potencia y energía a partir del punto de vista de la física. Relaciona los conceptos de trabajo, energía cinética y potencial a partir del estudio del teorema del trabajo y la energía. Aplica el concepto de energía potencial, trabajo y conservación de energía a partir de ejemplos relacionados con el tema. Establece relaciones entre variables a partir del análisis de unidades. Describe cualitativa y cuantitativamente situaciones físicas relacionadas con trabajo, potencia y energía. CONSULTA LOS SIGUIENTES CONCEPTOS. Trabajo, potencia, sus respectivas unidades, condiciones para que una fuerza realice trabajo. Relación entre el trabajo y la potencia. DESPUÉS DE TUS CONSULTAS, ANALIZA REFLEXIONA Y RESPONDE Define con tus palabras qué es trabajo. ¿Cómo se define físicamente el trabajo realizado por una fuerza? ¿Cuáles son las condiciones que deben cumplirse para que una fuerza realice trabajo? ¿Cuáles son las unidades de trabajo? Define qué es un julio y qué es un ergio. ¿Qué relación existe entre el julio y el ergio; es decir, cuántos ergios tiene un julio y cuántos julios tiene un ergio? www.mafime.webnode.es ACTIVIDADES PARA LA ASIGNATURA FÍSICA Melquisedec Lemos García. Lic: Matemáticas y física. Define con tus palabras qué es potencia. ¿Cuáles son las unidades de la potencia? Define qué es un wattio, un kilovatio y un megavatio. ¿El caballo de fuerza, el caballo a vapor, el kilovatio hora, son unidades de potencia o de trabajo? (Explica c/u) ¿Cuantos vatios tiene un caballo de fuerza? ¿Cuantos tiene un caballo a vapor? ¿Cuántos julios tiene un kilovatio hora? Expresa en función de sus unidades la relación entre julio y wattio; julio y newton; wattio y newton. Investiga cuál es la potencia aproximada de cada uno de los siguientes electrodomésticos: televisor, plancha, nevera, lavadora. RESUELVE LOS SIGUIENTES EJERCICIOS 1. ¿Qué trabajo realiza una fuerza de 15 newton cuando desplaza un cuerpo 18m en la misma dirección en que se aplicó? 2. Una fuerza de 15 Newtons se ejerce sobre un cuerpo a través de una cuerda formando un ángulo de 30º con la horizontal. Si el cuerpo se desplaza 20 metros horizontalmente, ¿qué trabajo realiza dicha fuerza? 3. Un bulto de cemento de 40 kg es conducido en el hombro horizontalmente por una persona una distancia de 28 metros, luego lo lleva hasta una plataforma que se encuentra a 12m de altura. ¿Qué trabajo realiza la persona? 4. Un hombre levanta un cuerpo hasta una altura de 12 m. Si dicho cuerpo tiene una masa de 50 kg ¿Qué potencia desarrolla la persona sabiendo que dicha actividad la realiza en medio minuto? 5. Un motor tiene una potencia de 20 kilovatios. Con qué velocidad subirá una plataforma de 800 kg. de masa? 6. ¿Cuánto tiempo tarda un motor de 25 kilovatios en realizar un trabajo de 12.000 julios? www.mafime.webnode.es ACTIVIDADES PARA LA ASIGNATURA FÍSICA Melquisedec Lemos García. Lic: Matemáticas y física. 7. Un ascensor levanta 6 pasajeros a 30 metros de altura en minuto y medio; cada pasajero tiene una masa de 65 Kg y el ascensor una masa de 900 kg. Calcula la potencia desarrollada por el motor. 8. Una lavadora permanece en funcionamiento durante hora y media. Si la potencia de dicho electrodoméstico es 2.000 wattios, y el kilovatio hora cuesta $ 240, ¿cuál es el costo que se debe pagar? 9. Un cuerpo de 80 Kg se desea levantar hasta una altura de 15 m. por medio de un plano inclinado y con ayuda de una cuerda que forma un ángulo de 30º con la horizontal. Si la fuerza que se ejerce a través de la cuerda es de 650 N. y el coeficiente de rozamiento cinético entre la superficie y la masa es 0,2, calcular a) el trabajo realizado por cada una de las fuerzas que actúan sobre el cuerpo. b) el trabajo neto realizado. 10. La locomotora de un tren ejerce una fuerza constante de 50.000 Newton sobre el tren cuando lo arrastra por una vía horizontal a la velocidad de 50 km/h. ¿Qué trabajo realiza la locomotora en cada kilómetro de recorrido y cuál es la potencia que desarrolla en cada Km? 11. Dos jóvenes del mismo peso suben por una escalera hasta el cuarto piso de un edificio. Si tardan 50 y 40 s respectivamente. ¿Cuál de los dos realiza más trabajo? ¿Cuál de los dos desarrolla mayor potencia? 12. Si parten de la superficie de la tierra y cada piso tiene 3,5 metros de altura, calcula el trabajo de cada joven y la potencia que desarrolla cada uno, sabiendo que su masa es de 60 kilogramos. 13. Un deportista de 70 Kg asciende verticalmente por una cuerda hasta una altura de 5m. ¿Qué trabajo realiza el deportista? ¿Qué potencia desarrolla si el ascenso lo realiza en 20 s.? www.mafime.webnode.es ACTIVIDADES PARA LA ASIGNATURA FÍSICA Melquisedec Lemos García. Lic: Matemáticas y física. LA ENERGÍA Y SUS UNIDADES LOGROS: Diferencia los conceptos de: energía cinética, energía potencial y energía mecánica. Enuncia e interpreta el teorema del trabajo y la energía en función de: la energía cinética, la energía potencial gravitacional y la energía potencial elástica. Aplica el teorema del trabajo y la energía y el principio de conservación de la energía en la solución de problemas prácticos. CONSULTA LOS SIGUIENTES CONCEPTOS: Energía, clasificación de la energía, energía mecánica, energía potencial, energía cinética, teorema del trabajo y la energía principio de conservación de la energía, energía renovable y no renovable. DESPUÉS DE TUS CONSULTAS, ANALIZA REFLEXIONA Y RESPONDE 1. Define con tus palabras qué es energía y cuáles son sus unidades. 2. Escribe y define las clases de energía que existen. 3. ¿Cuál es la diferencia y relación entre energía cinética, energía potencial y energía mecánica? (Escribe la ecuación con que se expresa c/u.) 4. Explica el teorema del trabajo y la energía en función de: la energía cinética, la energía potencial gravitacional y la energía potencial elástica. 5. Explica lo que dice el principio de conservación de la energía mecánica. Da ejemplos. 6. Qué le sucede a la energía potencial, a la energía cinética y a la energía mecánica de un cuerpo cuando: a) Se lanza verticalmente hacia arriba, b) Se lanza vertical hacia abajo. 7. ¿Qué son energías renovables y energías no renovables? Da ejemplos. 8. Escribe un concepto y un ejemplo de cada uno de las energías siguientes: a) Energía solar, b). Energía hidráulica, c). Energía eólica, d) Energía mareomotriz, e). Energía geotérmica, f). Energía nuclear. www.mafime.webnode.es ACTIVIDADES PARA LA ASIGNATURA FÍSICA Melquisedec Lemos García. Lic: Matemáticas y física. 9. Un cuerpo se lanza en A y sigue la trayectoria indicada en la figura. (No se tiene en cuenta el rozamiento.) ::::...........................................:::................................ o o o o o ¿En qué punto tendrá mayor energía potencial? ¿En qué punto tendrá mayor energía cinética? ¿En qué punto tendrá mayor energía mecánica? ¿Qué le sucede a la energía potencial cuando el cuerpo se desplaza de A a B? ¿ y de B a C? ¿Qué le sucede a la energía cinética cuando el cuerpo se desplaza de A a B? ¿ y de B a C? ¿Qué le sucede a la energía mecánica? 10. Plantea un ejemplo de cada uno de los siguientes casos. a. Un cuerpo con el cual se asocia energía cinética pero no-energía potencial b. Un cuerpo con el cual se asocia energía potencial, pero, no-energía cinética c. Un cuerpo con el cual se asocia a la vez energía potencial y energía cinética. RESUELVE LOS SIGUIENTES EJERCICIOS 1. ¿Cuál es la energía potencial que posee un cuerpo de 30 Kg cuando se encuentra a una altura de 10 m? 2. ¿Cuál es la energía cinética que lleva un cuerpo de 45 kg. que se desplaza con una velocidad de 36 m/s? 3. ¿Qué trabajo se debe realizar sobre un cuerpo de 15 kg. para que incremente su velocidad de 3 m/s a 10 m/s? 4. ¿Qué trabajo se debe realizar para detener un cuerpo de 70 Kg que viaja a la velocidad de 20 m/s? 5. ¿Qué trabajo se debe realizar para triplicar la velocidad de un cuerpo que posee 10 julios de energía cinética inicial? 6. ¿Qué velocidad adquiere un cuerpo de 5 kg. que viaja a la velocidad de 3m/s. cuando sobre él se realiza un trabajo de 80 julios? 7. ¿Qué energía cinética adquiere un cuerpo de 8 kg. al llegar al suelo si se deja caer libremente desde la altura de 100 m? 8. ¿Qué trabajo se debe hacer para elevar un cuerpo de 15 kg. desde una altura de 20m hasta una altura de 30 m? 9. Un avión de 15.000 kg. vuela horizontalmente a una altura de 1200 metros con velocidad de 320km/h. Calcula la energía cinética, la energía potencial y la energía mecánica del avión. 10. La constante de elasticidad de un resorte es 25 N/m. Calcula la energía potencial elástica que posee un cuerpo de 5 kg. sujeto al resorte, que se desplaza a 0,8 m de su punto de equilibrio. 11. ¿Cuánto se debe estirar un resorte de constante de elasticidad 45 N/m para que una masa sujeta horizontalmente posea una energía potencial elástica de 820 julios? 12. Un cuerpo de 1 Kg de masa se encuentra inicialmente a una altura de 100 m y se deja caer libremente. Calcula la energía potencial, la energía cinética y la energía mecánica del cuerpo a esta altura. Y cada vez que descienda 20 m 13. Un cuerpo de 80 kg. se desliza por una pista sin rozamiento, como lo indica la figura. Calcula la energía potencial, la energía cinética, la energía mecánica y la magnitud de la velocidad en los puntos A, B y C. ........................................... TRABAJO Y ENERGÍA Nuestro objetivo en esta unidad es interpretar los conceptos que tienen que ver con trabajo y energía desde el punto de vista de la física, y establecer las diferencias de los mismos desde la cotidianidad. El trabajo que realiza una fuerza constante F, que actúa sobre un cuerpo, es igual al producto de la magnitud del desplazamiento por la componente de la fuerza en dirección de éste. Analíticamente se define W= Fx Δx cos θ El trabajo es una cantidad escalar Dimensiones y unidades En el sistema SI W = N.m= J En el sistema c.g.s W= dina .cm = ergio Recuerda que: 1J=107 ergios Energía cinética La energía es una cantidad escalar y sus unidades son las mismas que las del trabajo. La energía cinética se está definida por el producto de la masa y el cuadrado de la velocidad dividido entre 2. Analíticamente Ec= mv2/2 Se concluye que el trabajo neto sobre un objeto es igual al cambio de energía cinética del mismo Wneto = Ec final – Ec inicial Potencia. Se define como la variación del trabajo en un intervalo de tiempo Δt P= ΔW/ Δt Al igual que el trabajo y la energía es una cantidad escalar. Su unidad P= J/s = W (W → watt o vatio) Otra unidad es el caballo de vapor (hp) 1 hp = 746 W CONSERVACIÓN DE LA ENERGIA MECANICA Un sistema conservativo es aquel en el cual el trabajo realizado por las fuerzas del sistema, como fuerzas restauradoras o fuerza gravitacional, es completamente independiente de la trayectoria que sigue el cuerpo. Fuerza conservativa Una fuerza es conservativa si cumple dos condiciones *El trabajo realizado por la fuerza sobre un objeto de masa m sea independiente de la trayectoria *El trabajo realizado por la fuerza sobre la masa m sea igual a cero, siempre que la trayectoria sea cerrada. Algunas fuerzas conservativas son el peso o la fuerza asociada con un resorte. Las fuerzas disipadas se conocen como no conservativas. Por ejemplo, la fuerza de rozamiento. Problemas 1. Un bloque de 5 kg se empuja una distancia de 8 m sobre un plano horizontal, con coeficiente de rozamiento 0,3, por una fuerza constante F paralela al plano a velocidad constante. ¿Cuál es el trabajo de la fuerza F? Resp. 120 jul. 2. Bajo la acción de cierta fuerza, un cuerpo de masa 2 kg tiene una aceleración de 3 m/s2 ¿Cuál es el trabajo de esta fuerza si el cuerpo se desplaza 5 m? Resp. 30 jul. 3. ¿Cuál es la energía cinética de una persona de 80 kg de peso que corre a una velocidad de 36 km/h? ¿Cuál es su energía potencial con respecto al suelo si sube un edificio de 15 m? Resp. 4000 jul; 12.000 jul. 4. Un bloque de masa 3 kg, inicialmente en reposo, es arrastrado una distancia de 3 m por una fuerza de 50 N. ¿Cuáles son su energía cinética y su velocidad finales? Resp. 150 jul; 10 m/s 5. Un hombre de 60 kg sube por las escaleras de un edificio de 200 m de altura en 4 minutos. ¿Cuál fue a potencia que desarrolló? Resp. 500 vatios. 6. Un conductor aplica-los frenos cuando su auto lleva la velocidad de 72 km/h. ¿Qué distancia recorre antes de pararse si el coeficiente de rozamiento entre las llantas y el suelo es de 0,5? (Resolver este problema por la segunda ley de Newton y por consideraciones de energía). Resp. 40 m. TEST Energía Las preguntas del 1 al 7 se refieren a la siguiente información: Un cuerpo parte sin velocidad, de la parte superior de un plano inclinado sin rozamiento. Las preguntas deben contestarse con una de las siguientes gráficas: 1. ¿Cuál gráfica representa mejor la aceleración del cuerpo en función de la distancia recorrida? (a) A (b) (c) B; (c) C; (d) D 2. ¿Cuál gráfica representa mejor el trabajo del peso del cuerpo en función de la distancia recorrida? (a) A (b) (c) B; (c) C; (d) D 3. ¿Cuál gráfica representa mejor la energía potencial del cuerpo en función de la distancia recorrida? (a) A (b) (c) B; (c) C; (d) D 4. ¿Cuál gráfica representa mejor la energía potencial del cuerpo en función del tiempo? (a) A (b) (c) B; (c) C; (d) D 5. ¿Cuál gráfica representa mejor la energía cinética del cuerpo en función del tiempo? (a) A (b) (c) B; (c) C; (d) D 6. ¿Cuál gráfica representa mejor la energía cinética del cuerpo en función de la distancia recorrida? (a) A (b) B; (c) C; (d) D (c) 7. ¿Cuál gráfica representa mejor la energía total del cuerpo en función del tiempo? (a) A (b) B; (c) C; (d) D (c) Las preguntas 8 y 9 se refieren a la siguiente información: Se aplica una fuerza F a un cuerpo inicialmente en reposo, de 5 kg de masa. El cuerpo se mueve ahora con una aceleración de 2 m/s2 8. Si el cuerpo se desplaza 3 m en la dirección de la aceleración, el trabajo de F es: (a) 6 J (b) 15 J (c) 30 J (d) 60 J 9. Si el cuerpo se desplaza durante 3 segundos en la dirección de la aceleración, el trabajo de F es: (a) 90 J (b) 15 J (c) 30 J (d) 60 J 10. Bajo la acción de una fuerza de 20 Newtons, un resorte se comprime 0,1 m. La constante el resorte es: (a) 0.005 N/m (b) 5 N/m; (c) 2 N/m (d) 200 N/m 11. La energía potencial elástica del resorte anterior es: (a) 0.5 J (b) 10 J (c) 2 J (d) 20 J 12. Una fuerza de 1 N actúa durante 1 s sobre un cuerpo de masa 1 kg, inicialmente en reposo. El trabajo de la fuerza es: (a) 0.5 J (b) 1 J (c) 1.5 J (d) 2 J 13. La energía cinética final del cuerpo anterior es (a) 0.5 J (b) 2,5 J; (c) 1.5 J (d) 2 J 14. Una fuerza de 1 N actúa durante 1 s sobre un cuerpo de masa 1 kg Y con velocidad inicial de 1 m/s. El trabajo de la fuerza es: (a) 0.5 J (b) 1 J (c) 1.5 J (d) 2 J 15. La energía cinética final del cuerpo anterior es: (a) 0.5 J (b) 1 J (c) 1.5 J (d) 2 J