Trabajo mecánico y energía
Fuerza y trabajo mecánico
El concepto de trabajo mecánico aparece estrechamente vinculado al de fuerza. De este modo, para que exista trabajo debe aplicarse una fuerza mecánica a lo largo de una cierta trayectoria. En términos físicos, el trabajo W se define como el producto escalar de la fuerza aplicada por la distancia recorrida.
En términos físicos, el trabajo W se define como el producto escalar de la fuerza aplicada por la distancia recorrida.
Así pues, el trabajo es una magnitud escalar, que alcanza su valor máximo cuando la fuerza se aplica en la dirección y el sentido del movimiento.
De la definición anterior se deduce que las fuerzas aplicadas perpendicularmente a la dirección del movimiento producen un trabajo nulo.
El trabajo para mover un cuerpo depende de la fuerza aplicada sobre el objeto y de la distancia recorrida. En la figura, se obtiene el mismo trabajo empujando el cuerpo oblicuamente por la plataforma que con ayuda de una polea.
Trabajo de una fuerza variable
Con frecuencia, la fuerza que produce un trabajo es variable durante el tiempo de aplicación, ya sea porque se alteran su módulo, su dirección o su sentido. Para calcular el valor de este trabajo se utiliza una integral extendida a todo el recorrido.
(a) Trabajo de una fuerza variable, determinado como el área comprendida entre la curva y el eje de abscisas. (b) Trabajo de una fuerza constante para todo el recorrido.
Concepto de energía
La realización de trabajo puede verse también como un consumo de energía. No obstante, la noción de energía es más amplia que la de trabajo. Aunque, genéricamente, se define energía como la capacidad de un cuerpo para realizar trabajo, también comprende el calor, o transferencia de energía de un sistema material a otro, como una de sus manifestaciones más comunes.
Por tanto, el trabajo y el calor son dos manifestaciones posibles de la energía.
Un muelle estirado y un cuerpo sostenido sobre una superficie pueden realizar trabajo, al comprimirse o caer al suelo. Ambos son ejemplos de sistemas provistos de energía susceptible de convertirse en trabajo.
Relación entre energía y trabajo
El trabajo es una manifestación de la energía. Ahora bien, por su definición, el trabajo es una magnitud escalar que atendiendo a la disposición de la fuerza y el desplazamiento puede ser positiva, negativa o nula:
- Cuando el trabajo es positivo, se dice que la fuerza inductora ha aportado energía. Así sucede cuando se comprime un muelle o se levanta un peso.
- Si el trabajo es negativo, la fuerza ha absorbido energía (por ejemplo, al soltar un muelle o dejar caer un objeto).
- Si el trabajo es nulo, no existen variaciones en el balance energético del sistema.
Ejemplo de trabajo nulo, donde el cuerpo se desliza por una superficie horizontal que es perpendicular al peso (en el ejemplo, esta fuerza ni absorbe ni aporta energía).
Unidades de trabajo
En el Sistema Internacional, el trabajo mecánico se mide en julios, donde 1 julio (J) = 1 newton (N) x 1 metro (m). En el sistema CGS, se utiliza como unidad el ergio. Por la equivalencia entre trabajo y energía, esta última magnitud se expresa también en Julios (SI) y ergios (CGS).
Equivalente mecánico del calor
El científico inglés James Prescott Joule (1818- 1889) descubrió la equivalencia que existe entre calor y trabajo, en un concepto según el cual el trabajo necesario para producir una caloría es igual a 4,18 julios.
Hermann von Helmholtz
(1821-1894), científico y filósofo alemán, fue el primero que ofreció una descripción sistemática de la noción de energía.