Laboratorio de Trabajo y Energía

Introducción

Como estudiantes diligentes que somos, todos sentimos que tenemos demasiado trabajo por hacer. En ese sentido, el trabajo puede ser algo que deba terminar o aprender en un cierto período de tiempo. Pero en física, definimos el trabajo de manera un poco diferente. El trabajo es una fuerza aplicada a distancia. Entonces, por ejemplo, empujar una caja con 10 Newtons de fuerza durante 15 metros es trabajo. Pero memorizar la ecuación para el trabajo no es un trabajo real en física.

Trabajo = Fuerza * Distancia

El trabajo también se puede definir como el cambio de energía de un objeto. La energía potencial gravitacional (GPE) es energía almacenada debido al posicionamiento vertical o la altura, y este es el tipo de energía que usaremos para calcular el trabajo hoy.

En este laboratorio, trabajará ejerciendo una fuerza sobre la distancia al subir las escaleras. Tu peso es igual a la fuerza debida a la gravedad, así que esa es tu fuerza. La altura de las escaleras será la distancia.

La fórmula para calcular la GPE es masa * atracción gravitacional * altura (m * g * h). Por lo tanto, necesitará su masa, la altura que subió y la aceleración debida a la gravedad (atracción gravitacional), que siempre es de 9,8 m / s 2 , a menudo redondeada a 10 m / s 2 .

Después de calcular el trabajo utilizando la fuerza, podemos compararlo con su GPE para responder a la pregunta: “¿Cómo se relaciona el trabajo con la energía?”

Materiales

• Una escalera
• Tu cuerpo, equipado con zapatos y ropa para correr escaleras arriba.
• Calculadora
• Cuaderno
• Escala
• Regla o cinta métrica

Pasos

1. Mida la altura de sus escaleras en metros. Registre esto en su cuaderno.

2. Mida su peso con una balanza. Su peso estará en libras, pero necesitamos usar la unidad científica, Newton. Multiplica tu peso en libras por 4.4 para obtener Newtons. Registre esto en su cuaderno.

También debe calcular su masa ahora, ya que la necesitaremos para calcular la GPE. Tome su peso en Newtons y divídalo por 10 m / s 2 (gravedad) para obtener su masa en kilogramos.

¡¡Consejo de Seguridad!! Asegúrate de prestar atención cuando corras y usa calzado adecuado.

3. Ahora es el momento de brillar. Sube corriendo las escaleras lo más rápido que puedas.

4. Ahora, calcularemos cuánto trabajo hizo y cómo cambió su GPE. Para calcular cuánto trabajo hizo, multiplique la fuerza que utilizó (su peso en Newtons) por la distancia recorrida (altura de las escaleras).

Para calcular su cambio de energía, multiplique su masa por 10 m / s 2 (gravedad) por la altura de las escaleras.

Solución de problemas

Si su peso no parece exacto, asegúrese de poner a cero la báscula antes de subirse a ella. Compruebe también la altura de las escaleras; es fácil saltarse un escalón al contar, ¡especialmente si tienes un largo camino por recorrer!

Preguntas de discusión

¿Su GPE fue igual a la cantidad de trabajo que hizo?

Si sus valores no eran los mismos, ¿cuáles son algunas de las razones en las que puede pensar para la discrepancia?

Cómo funciona

El teorema de la energía del trabajo establece que el trabajo realizado por un objeto es igual a su cambio de energía cinética (KE) o energía de movimiento. Pero, ¿cómo se relaciona esto con nuestro laboratorio, donde comparamos GPE con el trabajo, no KE con el trabajo? La respuesta está en el principio de conservación de la energía , que dice que la energía nunca se puede crear ni destruir.

Veamos un ejemplo. Una roca se asienta en la cima de una colina, perfectamente quieta. En ese momento, toda la energía de la roca está en GPE, ya que no se mueve. Cuando rueda hasta la parte inferior de la colina, ahora está en el suelo, por lo que no tiene GPE (porque su altura es 0). Pero, se está moviendo, por lo que todo el GPE en la parte superior se convirtió en KE en la parte inferior de la colina. Por lo tanto, la cantidad de GPE en la cima de la colina es igual a la cantidad de KE en la parte inferior de la colina.

Dado que la energía se conserva, la energía total en la cima de la colina debe ser igual a la energía total en la parte inferior de la colina, aunque se encuentren en diferentes formas.

Sobre la base de la conservación de la energía, el cambio en GPE debería ser igual al cambio en KE. En el mundo real, sin embargo, se pierde algo de energía por calor, sonido o fricción, pero los descuidaremos en nuestro experimento.

Usando la conservación de energía, ahora podemos decir que el trabajo también es igual al cambio en GPE. Por lo tanto, durante nuestro experimento, su cambio en GPE de la parte inferior a la parte superior de las escaleras debe ser igual al trabajo realizado.