Les vencimos

Física y Química · 1º Bachillerato

Lección 21 · Bloque F · Trabajo y potencia

Ciento veinte julios no son doscientos

1º Bachillerato Física y Química · Ciencias · Decreto 40/2022 CyL

Objetivos

Letras

SituaciónQué multiplicaTrabajo
Caja del ejemplo, mismo sentido40·3,0·1120 J
Los mismos 40 N y 3,0 m, coseno 0,5040·3,0·0,5060 J
Pared, Δx = 0200·00 J
Subida del segundo ejemplo39,2·2,5·198 J

h es el desnivel, en metros. En la subida el desplazamiento vertical es h. El coseno es el factor que te dan o el que sale de «mismo sentido» (vale 1) o de «perpendicular» (vale 0). No hace falta un ángulo en grados.

Caja empujada 3 m con 40 N 40 N Δx = 3,0 m · coseno = 1 · W = 120 J En 4,0 s → P = 30 W Si se consumen 200 J → η = 0,60

Ejemplo

  1. Empujas una caja con F = 40 N, horizontal, y avanza Δx = 3,0 m en ese mismo sentido. coseno = 1.
  2. W = 40·3,0·1 = 120 J.
  3. Tardas Δt = 4,0 s. P = 120/4,0 = 30 W.
  4. El motor que te sustituye consume 200 J para entregar esos 120 J útiles. η = 120/200 = 0,60 = 60 %.
  5. Los 80 J que no salen como trabajo útil no desaparecen del balance: aquí no los seguimos (calor, rozamiento). El rendimiento solo compara las dos cifras del enunciado.

Segundo ejemplo resuelto

La caja del primer ejemplo iba en horizontal. Esta sube, a velocidad constante, y entra el rendimiento. No es el reto: allí son 10 kg, 2,0 m y rendimiento 0,50.

4,0 kg suben 2,5 m a velocidad constante 39,2 N h = 2,5 m W útil = 98 J En 7,0 s → 14 W η = 0,70 → se consumen 140 J 4,0 · 9,8 = 39,2 N. 39,2 · 2,5 = 98 J. 98 / 0,70 = 140 J. No son los 392 J del reto.
  1. m = 4,0 kg sube h = 2,5 m a velocidad constante. g = 9,8 m/s². Velocidad constante quiere decir que la fuerza neta vertical es cero: la fuerza del cable, hacia arriba, iguala al peso. Peso = 4,0·9,8 = 39,2 N. La fuerza del cable mide 39,2 N.
  2. El cable y el desplazamiento van en el mismo sentido, así que el coseno es 1. W útil = 39,2·2,5·1. 39,2·2,0 = 78,4 y 39,2·0,5 = 19,6. 78,4 + 19,6 = 98 J. También es m·g·h = 4,0·9,8·2,5 = 98 J, porque a velocidad constante el trabajo útil contra el peso es el del cable.
  3. Tarda Δt = 7,0 s. Potencia = W/Δt = 98/7,0 = 14 W. Cierra al revés: 14·7,0 = 98. Esos 14 W no son el peso: el peso eran 39,2 N. Potencia y peso comparten la letra P en otros textos; aquí, si digo potencia, es julios entre segundos.
  4. El motor rinde η = 0,70. Entonces 0,70 = 98 / E y E = 98/0,70. 0,70·140 = 98, luego la energía consumida es 140 J. Los 42 J que no salen como trabajo útil (140 − 98 = 42) no se siguen en esta lección: el rendimiento solo compara 98 con 140.
  5. El reto es otra subida: 10·9,8·2,0 = 196 J útiles y, con η = 0,50, se consumen 392 J. Aquí ni la masa, ni h, ni el rendimiento coinciden, y 98 no es 196. Si inviertes la fracción, 140/98 ≈ 1,43, que no es un rendimiento: pasa de 1.

Julios, vatios y el factor −1

1 J = 1 N·m. En la caja horizontal, 40 N·3,0 m = 120 N·m = 120 J. 1 W = 1 J/s, así que 120 J en 4,0 s son 30 J/s = 30 W. El rendimiento no tiene unidad: 120 J / 200 J = 0,60. Lo que no sale útil es 200 − 120 = 80 J.

Si la fuerza y el desplazamiento tienen sentidos contrarios, el factor es −1. No hace falta un ángulo en grados. En la subida, el peso tira hacia abajo y el cuerpo sube: trabajo del peso = −39,2·2,5 = −98 J. El cable hace +98 J. La suma es 0 J, y por eso la cinética no cambia: es la velocidad constante del segundo ejemplo, leída con el signo.

Caja horizontalSubida de 4,0 kg
Trabajo útil120 J98 J
Tiempo4,0 s7,0 s
Potencia30 W14 W
Rendimiento0,600,70
Energía consumida200 J140 J
No sale como trabajo útil80 J42 J

El mismo trabajo útil, a otra prisa, es otra potencia. Si los 98 J de la subida se hicieran en 4,0 s, la potencia sería 98/4,0 = 24,5 W. No es el dato: el dato son 7,0 s y 14 W. Las dos cierran el mismo trabajo: 24,5·4,0 = 98 y 14·7,0 = 98. El reto no da el tiempo. Si repartieras sus 196 J útiles en esos 7,0 s, saldrían 196/7,0 = 28 W, porque 7·28 = 196. Es el doble de trabajo útil que 98 J en el mismo tiempo, luego el doble de 14 W. No es la potencia de la subida de 4,0 kg, y no cambia los 392 J de energía consumida del reto.

La potencia, también como fuerza por velocidad media

La velocidad media es el desplazamiento partido del tiempo, en m/s. Cuando la fuerza y el desplazamiento van en el mismo sentido, la potencia media es la fuerza por esa velocidad media. Tiene que coincidir con W/Δt.

Lo que no sale como trabajo útil es la fracción 1 − η de la energía consumida. En la caja, 1 − 0,60 = 0,40 y 0,40·200 = 80 J. En la subida, 1 − 0,70 = 0,30 y 0,30·140 = 42 J. En el reto, 1 − 0,50 = 0,50 y 0,50·392 = 196 J: se consume el doble de lo útil, y esa mitad que no sube la masa es también 196 J. El útil sigue siendo 10·9,8·2,0 = 196 J.

Ejercicios

1. Mismo dato, coseno 0,50

F = 40 N, Δx = 3,0 m, coseno = 0,50. Calcula W.

Porqué

W = 40·3,0·0,50 = 120·0,50 = 60 J. Es la mitad de los 120 J del ejemplo, porque el coseno es la mitad de 1. No digas «60 grados»: el enunciado te da el coseno y no pide el ángulo.

2. Pared

F = 200 N contra una pared, Δx = 0. ¿Cuánto trabajo?

Porqué

W = 200·0·1 = 0 J. Hay fuerza y no hay trabajo. La potencia es 0/Δt. Con cualquier tiempo distinto de cero, 0 partido de ese tiempo es 0 W. No inventes un desplazamiento pequeño para que «salga algo».

3. Potencia

W = 900 J en 30 s. Calcula P.

Porqué

Potencia = 900/30 = 30 W. Cierra: 30·30 = 900. Otra vez 30 W, como 120/4,0 en el ejemplo, con otros datos. No es la misma caja: allí eran 120 J en 4,0 s.

4. Rendimiento al revés

Una bomba entrega 400 J útiles y consume 1000 J. η en tanto por uno y en %.

Porqué

η = 400/1000 = 0,40 = 40 %. Si divides 1000/400 obtienes 2,5, que no es un rendimiento.

5. Consumo

Quieres 120 J útiles con η = 0,60. ¿Cuánta energía hay que consumir?

Porqué

0,60 = 120 / E, luego E = 120/0,60 = 200 J. Cierra: 0,60·200 = 120. Es el primer ejemplo, leído al revés. En la subida de 98 J con η = 0,70 la misma lectura da 140 J, no 200 J: cambian el trabajo útil y el rendimiento.

En la vida real

La factura no es el trabajo útil

F = 40 N y el desplazamiento van en el mismo sentido (coseno = 1). Elige Δx y el tiempo. Escribe W y P.

Reto Profesor

Una subida con rendimiento

Una masa de 10 kg sube 2,0 m a velocidad constante. g = 9,8 m/s². El trabajo útil es el del peso, m·g·h. El motor rinde 0,50. En el editor: W útil y energía consumida. En el lienzo, la flecha del peso y la del cable.

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