Grado 10
  1. Mecánica  1.1. Dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y Rapidez  1.1.5. Aceleración  1.1.6. Representación gráfica del movimiento  1.1.7. Ecuaciones de movimiento  1.1.8. Caída libre y aceleración debido a la gravedad  1.1.9. Movimiento de un proyectil  1.1.10. Velocidad relativa  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton  1.2.2. Inercia y masa  1.2.3. Fuerza y sus tipos  1.2.4. fuerza de acción y reacción  1.2.5. La fricción y sus efectos  1.2.6. Coefficient of friction  1.2.7. Movimiento circular  1.2.8. Fuerza centrípeta y aceleración centrípeta  1.2.9. Momentum e Impulso  1.2.10. Conservación del momento  1.2.11. Tercera ley de Newton y aplicaciones  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial  1.3.5. Energía mecánica  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.3.8. Fuentes de energía renovables y no renovables  1.4. Fuerza gravitacional  1.4.1. La ley de gravitación universal de Newton  1.4.2. Campo gravitacional y fuerza del campo  1.4.3. Aceleración debida a la gravedad en diferentes planetas  1.4.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.4.5. Órbitas y satélites  1.4.6. Peso y peso aparente  1.4.7. Energía potencial gravitacional
  2. Propiedades de la materia  2.1. Estados de la materia  2.1.1. Sólido, líquido y gas  2.1.2. Estructura molecular de la materia  2.1.3. Fuerzas intermoleculares  2.1.4. Plasma y condensado de Bose–Einstein  2.2. Presión  2.2.1. Definición de Presión  2.2.2. Presión en líquidos  2.2.3. Presión atmosférica  2.2.4. Principio de Pascal  2.2.5. El principio de Arquímedes y la flotabilidad  2.2.6. Tensión superficial y capilaridad  2.3. Elasticidad  2.3.1. La ley de Hooke  2.3.2. Tensión y deformación  2.3.3. Límite elástico y módulo de elasticidad  2.3.4. Aplicaciones de la elasticidad
  3. Física térmica  3.1. calor y temperatura  3.1.1. Diferencia entre calor y temperatura  3.1.2. Escala de temperatura  3.1.3. Dilatación térmica  3.1.4. Equilibrio térmico  3.2. Transferencia de calor  3.2.1. Conductividad  3.2.2. Convección  3.2.3. Radiación  3.2.4. Aislamiento y sus aplicaciones  3.3. Propiedades térmicas de la materia  3.3.1. Capacidad calorífica específica  3.3.2. Calor latente y cambio de fase  3.3.3. Punto de ebullición y punto de fusión  3.3.4. Motores térmicos y refrigeración  3.4. Leyes de la Termodinámica  3.4.1. Ley cero de la termodinámica  3.4.2. Primera ley de la termodinámica  3.4.3. Segunda ley de la termodinámica  3.4.4. Ciclo de Carnot
  4. Ondas y óptica  4.1. Nature and properties of waves  4.1.1. Tipos de ondas en la naturaleza y propiedades de las ondas  4.1.2. Olas transversales y longitudinales  4.1.3. Parámetros de las ondas  4.1.4. Reflexión y refracción de ondas  4.1.5. Superposición e Interferencia  4.1.6. Ondas estacionarias y resonancia  4.1.7. Efecto Doppler  4.2. Ondas sonoras  4.2.1. Características de las ondas sonoras  4.2.2. Velocidad del sonido en diferentes medios  4.2.3. Aplicaciones de las ondas sonoras  4.2.4. Ultrasonido y sus usos  4.3. Ondas de Luz y Óptica  4.3.1. Naturaleza de la luz  4.3.2. Reflexión de la luz  4.3.3. Leyes de la reflexión  4.3.4. Espejos y Formación de Imágenes  4.3.5. Refracción de la luz  4.3.6. La Ley de Snell  4.3.7. Lentes y Formación de Imágenes  4.3.8. Reflexión interna total y ángulo crítico  4.3.9. Fibra óptica  4.4. Instrumentos Ópticos  4.4.1. Microscopio  4.4.2. Telescopio  4.4.3. Ojo humano y defectos de visión  4.4.4. Cámara y su principio de funcionamiento
  5. Electricidad y Magnetismo  5.1. Electrostática  5.1.1. Carga eléctrica y sus propiedades  5.1.2. Conductores e Aislantes  5.1.3. La ley de Coulomb  5.1.4. Campo eléctrico y líneas de campo  5.1.5. Potencial eléctrico y diferencia de potencial  5.1.6. Capacitores y Capacitancia  5.2. Electricidad Actual  5.2.1. Corriente eléctrica y su medición  5.2.2. La ley de Ohm  5.2.3. Resistencia y resistividad  5.2.4. Circuitos en Serie y en Paralelo  5.2.5. Energía y potencia eléctricas  5.2.6. Leyes de Kirchhoff  5.3. Magnetismo y Electromagnetismo  5.3.1. Campo magnético y líneas de campo  5.3.2. Efectos magnéticos de la corriente eléctrica  5.3.3. Inducción electromagnética  5.3.4. Leyes de Faraday de la inducción electromagnética  5.3.5. Transformadores y Aplicaciones  5.3.6. Corriente AC y DC
  6. Física Moderna  6.1. Física nuclear  6.1.1. Estructura del átomo  6.1.2. Modelo atómico de Bohr  6.1.3. Niveles de Energía del Electrón  6.1.4. Rayos X y aplicaciones  6.2. Radiactividad  6.2.1. Tipos de radiación  6.2.2. Vida media y desintegración radiactiva  6.2.3. Reacciones nucleares y aplicaciones  6.2.4. Fisión y Fusión  6.3. Física cuántica  6.3.1. Dualidad onda-partícula  6.3.2. Efecto fotoeléctrico  6.3.3. Cuantización de la energía  6.3.4. El principio de incertidumbre de Heisenberg
  7. Electrónica y Comunicación  7.1. Semiconductores  7.1.1. Conductores, aislantes y semiconductores  7.1.2. Diodos y sus aplicaciones  7.1.3. Transistores y Puertas Lógicas  7.1.4. LEDs y fotodiodos  7.2. Sistemas de Comunicación  7.2.1. Fundamentos de la comunicación  7.2.2. Señales analógicas y digitales  7.2.3. Comunicación inalámbrica y fibra óptica  7.2.4. Ondas de radio y modulación

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Trabajo realizado por la fuerza


El trabajo es un concepto fundamental en física que describe cómo se transfiere energía cuando se aplica una fuerza a un objeto. En su forma más simple, el trabajo hecho es el producto de la fuerza aplicada a un objeto y la distancia recorrida por el objeto en la dirección de la fuerza. En el campo de la mecánica, comprender el trabajo es importante porque sienta las bases para conceptos más complejos como la energía y la potencia.

Definición básica de trabajo

Se realiza trabajo cuando una fuerza pone un objeto en movimiento. Para realizar trabajo sobre un objeto, algún componente de la fuerza debe actuar en la dirección del movimiento. Si se aplica fuerza pero el objeto no se mueve, no se realiza ningún trabajo. De manera similar, si hay movimiento pero la fuerza actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento, tampoco se realiza trabajo.

Fórmula del trabajo

La expresión matemática del trabajo realizado por una fuerza se da mediante la siguiente ecuación:

Trabajo (W) = Fuerza (F) × Distancia (d) × cos(θ)

Donde:

  • W es el trabajo realizado por la fuerza, medido en julios (J).
  • F es la magnitud de la fuerza aplicada, medida en newtons (N).
  • d es la distancia recorrida por el objeto en la dirección de la fuerza, medida en metros (m).
  • θ es el ángulo entre la fuerza y la dirección del movimiento.

El componente cos(θ) asegura que solo se considere la porción de la fuerza que actúa en la dirección del movimiento al calcular el trabajo realizado. Si la fuerza está completamente en la dirección del movimiento, θ = 0° y cos(0°) = 1, por lo que toda la magnitud de la fuerza contribuye al trabajo realizado.

Ejemplo visual

Tomemos un ejemplo para simplificar este concepto.

objeto Fuerza(F) Distancia recorrida (d) θ

En la ilustración anterior, una fuerza F se aplica en un ángulo θ con respecto a la dirección horizontal en la cual se desplaza el objeto. La flecha verde muestra la distancia d cubierta por el objeto bajo la influencia de la fuerza. El componente efectivo de la fuerza que contribuye al trabajo está a lo largo de la línea de movimiento, que se calcula usando cos(θ).

Ejemplos de trabajo realizado

Ejemplo 1: Arrastrar una caja sobre una superficie plana

Imagina que estás tirando de una caja sobre una superficie plana. Si aplicas una fuerza horizontal de 50 N sobre la caja y la mueves 5 m a lo largo de la misma línea, el trabajo realizado será:

W = F × d = 50 N × 5 m = 250 J

Aquí, la fuerza está completamente en la dirección del movimiento, por lo que cos(0°) = 1.

Ejemplo 2: Levantar una caja verticalmente

Supón que levantas una caja que pesa 10 kg a una altura de 2 m. La fuerza aplicada es igual al peso de la caja multiplicado por la masa por la aceleración gravitacional (aproximadamente (9.8 m/s^2)). Por lo tanto, la fuerza es:

F = m × g = 10 kg × 9.8 m/s² = 98 N

El trabajo realizado al levantar la caja es:

W = F × d = 98 N × 2 m = 196 J

Aquí, el movimiento está directamente en la línea de la fuerza.

Ejemplo 3: Tirar de un carro cuesta arriba

Considera tirar de un carro con una fuerza de 30 N aplicada en un ángulo de 30 grados respecto al suelo. Si el carro se mueve 3 m a lo largo del suelo, calcula el trabajo realizado:

W = F × d × cos(θ) θ = 30°, cos(30°) ≈ 0.866 W = 30 N × 3 m × 0.866 ≈ 77.94 J

Aquí, solo el componente horizontal de la fuerza actúa para mover el carro.

Casos especiales de la tarea

Caso 1: Fuerza perpendicular al movimiento

Si una fuerza actúa perpendicularmente a la dirección del movimiento, no se realiza trabajo. Un ejemplo es llevar un libro mientras se mueve horizontalmente. La fuerza aplicada (el peso del libro) es vertical, mientras que el movimiento es horizontal. Aquí, θ = 90°, y cos(90°) = 0, por lo que:

W = F × d × cos(90°) = 0

Caso 2: Desplazamiento cero

Si no hay movimiento, no se realiza trabajo, incluso si se aplica una fuerza. Por ejemplo, no se realiza trabajo cuando empujas una pared estacionaria, como sigue:

W = F × 0 = 0

Caso 3: Velocidad constante

Cuando un objeto se mueve a velocidad constante y no actúa una fuerza neta sobre él, el trabajo realizado es cero. Esto se debe a que las fuerzas en direcciones opuestas se equilibran.

Unidades de trabajo

La unidad utilizada para medir el trabajo es el julio (J). Dado que el trabajo es una medida de transferencia de energía, es la misma unidad que la energía. Un julio es igual al trabajo realizado cuando una fuerza de un newton desplaza un objeto un metro en la dirección de la fuerza. Por lo tanto, la relación también se puede expresar como:

1 J = 1 N × 1 m

Conclusión

Comprender el concepto de trabajo realizado por una fuerza es un paso esencial en la física que puentea la brecha entre fuerza y energía. Al analizar cómo interactúan las fuerzas con el movimiento, obtenemos información sobre los mecanismos de transferencia de energía y cómo nos permiten realizar diversas tareas en la vida diaria. Las ideas aquí expuestas forman la base de muchos aspectos de la física, por lo que es importante entender bien estos conceptos fundamentales.


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Trabajo realizado por la fuerza

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