Teorema trabajo-energía: Definición y aplicación

El trabajo es un cambio de energía

‘Trabajo’ significa cosas diferentes para diferentes personas porque todos tenemos trabajos muy diferentes que hacemos todos los días. Pero en física, trabajo significa algo muy específico: “un cambio de energía”. Este cambio de energía proviene de una fuerza que hace que un objeto se mueva una cierta distancia.

Entonces, para que se pueda trabajar en un objeto, una fuerza debe mover ese objeto. Puedes empujar una pared todo el día, pero no estás trabajando en la pared a menos que la pongas en movimiento. En otras palabras, no realiza ningún trabajo en un objeto a menos que cambie su energía.

Cuando movemos un objeto (es decir, cuando trabajamos en él), aumentamos su energía cinética , que se conoce como “energía de movimiento”. Cuando ponemos un objeto en movimiento en reposo, también trabajamos sobre el objeto, pero en este caso estamos disminuyendo su energía cinética. Independientemente de si aumentamos o disminuimos la energía cinética de un objeto, la cantidad de trabajo realizado es igual al cambio de energía. Ésta es una relación importante conocida como teorema trabajo-energía .

Podemos escribir esta declaración como una ecuación que hace que sea muy fácil ver la relación: Trabajo = Δ E , donde E es energía, y la letra griega Delta significa ‘cambio en’. Entonces leemos esto como: trabajo = cambio de energía.

Esto nos ayuda a comprender por qué no se realiza ningún trabajo en una pared que no se mueve. Te cansas porque, a nivel biológico, se está trabajando en tus músculos mientras empujas, pero no se trabaja en la pared porque no hay cambio de energía, ¡no va a ninguna parte!

La energía potencial es energía almacenada

El teorema trabajo-energía también se puede aplicar a la energía potencial de un objeto , que se conoce como “energía almacenada”. Cuando un esquiador espera en la cima de la colina antes de despegar, tiene energía potencial porque tiene el potencial para trabajar. Una vez que despegan cuesta abajo, esto se convierte en energía cinética porque el esquiador ahora está en movimiento.

Si levanta una mancuerna por encima de su cabeza, está trabajando en la mancuerna a medida que la levanta porque la está moviendo y, por lo tanto, cambiando su energía cinética. Pero también está cambiando su energía potencial porque, al igual que el esquiador, está cambiando de un estado de reposo a un estado de movimiento. Sin embargo, una vez que la mancuerna está sobre su cabeza, si simplemente la sostiene allí, ya no está trabajando en ella porque no está cambiando su energía, ya sea potencial o cinética.

La energía puede aumentar o disminuir

Dado que el teorema trabajo-energía describe un cambio en la energía, este cambio puede presentarse en forma de un aumento o una disminución de la energía. Esto se debe a que cuanto más rápido viaja un objeto, más energía cinética tiene y más trabajo se necesita para frenar o detener ese objeto en movimiento.

Se necesita menos distancia para detener un automóvil que viaja a 25 mph que un automóvil que viaja a 70 mph, ¿verdad? Esto se debe a que, como se mencionó anteriormente, el trabajo se realiza cuando una fuerza actúa sobre una distancia determinada. Entonces, si aumenta la distancia, aumenta el trabajo. El automóvil que viaja a 70 mph tiene mucha más energía cinética que el automóvil más lento, por lo que se requiere más trabajo para detener el automóvil más rápido porque se requiere un mayor cambio de energía para alcanzar el mismo estado de reposo.

Los frenos son una forma probada y verdadera de detener su automóvil, pero también puede reducir la velocidad (disminuir su energía cinética) reduciendo la velocidad y permitiendo que el motor frene en parte. De hecho, los automóviles híbridos hacen esto al desviar la energía de frenado del motor en energía potencial eléctrica en sus baterías de almacenamiento.

Resumen de la lección

En el mundo de la física, el trabajo es una cosa muy concreta: un cambio de energía. Para que se pueda trabajar en un objeto, una fuerza debe actuar sobre el objeto a una distancia determinada. Empuje una caja por el suelo y habrá trabajado en ella, pero si la empuja y no va a ninguna parte, no ha trabajado en todo, ¡no importa lo exhausto que esté!

Independientemente de si mueve esa caja mucho, poco o nada, la cantidad de trabajo realizado es igual al cambio de energía de la caja. Esta relación se llama teorema trabajo-energía .

Si aumenta la energía cinética de un objeto moviéndolo, la cantidad de trabajo que realiza es igual al cambio en la energía cinética del objeto. Del mismo modo, si reduce la velocidad o detiene un objeto en movimiento, disminuye su energía cinética y la cantidad de trabajo realizado en el objeto también es igual a este cambio.

Los resultados del aprendizaje

Después de revisar esta lección, tendrá la capacidad de:

• Definir el trabajo en términos de física, así como de energía cinética y potencial.
• Describir el teorema trabajo-energía e identificar la ecuación utilizada para describir este teorema.
• Resuma cómo se aplica el teorema trabajo-energía a la energía ya sea en aumento o en disminución