Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Trabajo realizado por una fuerza constante y variable


En física, los conceptos de trabajo, energía y potencia son fundamentales para comprender cómo las fuerzas afectan el movimiento de los objetos. Dentro de este marco, la idea de trabajo realizado por una fuerza juega un papel clave. Echaremos un vistazo más profundo a cómo se define y calcula el trabajo al tratar con fuerzas tanto constantes como variables.

¿Qué es el trabajo?

En el lenguaje cotidiano, "trabajo" puede incluir cualquier esfuerzo físico o mental. Sin embargo, en física, el trabajo tiene una definición precisa. Es el producto de la fuerza aplicada a un objeto y el desplazamiento en la dirección de la fuerza.

Fórmula del trabajo

La ecuación básica para calcular el trabajo realizado por una fuerza es:

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

Donde:

  • W es el trabajo realizado
  • F es la magnitud de la fuerza aplicada
  • d es el desplazamiento causado por la fuerza
  • θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y el desplazamiento

Trabajo realizado por una fuerza constante

Fuerza constante significa que la fuerza aplicada permanece sin cambios en magnitud y dirección en el tiempo. Calcular el trabajo realizado por una fuerza constante es sencillo debido a su simplicidad.

Ejemplo: tirar de un trineo

Supón que estás tirando de un trineo en una superficie horizontal aplicando una fuerza de 50 N. El trineo se mueve 10 m mientras lo tiras, y la fuerza se aplica en la dirección del movimiento. En este caso, el ángulo es de 0 grados (porque la fuerza está en la misma dirección que el desplazamiento).

El trabajo realizado se puede calcular de la siguiente manera:

Trabajo = 50 N × 10 m × cos(0°) = 500 N·m (o Julios)

Ejemplo visual:

trineo50 N

Trabajo realizado por una fuerza variable

Una fuerza variable cambia en magnitud o dirección (o ambas) durante el desplazamiento. Calcular el trabajo realizado se vuelve más complicado porque no se puede usar una simple multiplicación de variables.

Ejemplo de fuerza lineal:

Imagina un resorte que se comprime. La fuerza ejercida por el resorte se describe por la ley de Hooke, que dice:

F = -kx

donde k es la constante del resorte y x es el desplazamiento desde la posición de equilibrio.

Cálculo del trabajo realizado

El trabajo realizado por una fuerza variable se calcula usando integración. El trabajo realizado al mover un objeto desde la posición a hasta b se da por:

W = ∫ de a a b F(x) dx

Ejemplo de trabajo realizado por un resorte

Cuando un resorte con constante de resorte k se comprime una distancia x, el trabajo realizado se calcula como:

W = ∫ de 0 a x (-kx) dx = -[1/2 kx^2] de 0 a x = -1/2 kx^2

Como solo nos importa la magnitud del trabajo en la mayoría de los escenarios prácticos, el trabajo realizado sobre el resorte es 1/2 kx^2.

Ejemplo visual:

ResorteF = -kx

Consideraciones importantes en el trabajo

Al calcular el trabajo, se deben considerar varios factores para interpretar correctamente el escenario:

  • Si el desplazamiento es cero, no se realiza trabajo, incluso si se aplica fuerza.
  • Si la fuerza es perpendicular a la dirección del desplazamiento, no se realiza trabajo (cos(90°) = 0).
  • Cuando la fuerza se opone al movimiento, el trabajo realizado es negativo, lo que indica que se extrae energía del sistema.

Ejemplo: Levantar un objeto verticalmente

Supón que un objeto que pesa 10 kg se levanta 2 m hacia arriba. La fuerza requerida es igual al peso del objeto, como sigue:

F = masa × gravedad = 10 kg × 9.8 m/s^2 = 98 N

El trabajo realizado es:

W = 98 N × 2 m × cos(0°) = 196 N·m (o Julios)

Ejemplo visual:

F = 98 N

Aplicaciones y ejemplos

Comprender el trabajo realizado por fuerzas es importante en muchas situaciones de la vida real, desde máquinas simples hasta sistemas mecánicos complejos. Este concepto se aplica de la siguiente manera:

Sistemas de poleas

Levantar un objeto pesado puede hacerse más fácil con un sistema de poleas. La cantidad de trabajo necesario para levantar un objeto es la misma, pero al usar múltiples poleas, la fuerza requerida puede distribuirse sobre una mayor distancia; por lo tanto, se necesita menos fuerza.

Supón que necesitas levantar una caja de 200 kg sobre una plataforma de 5 m de altura. Sin la polea, la fuerza requerida sería:

F = masa × gravedad = 200 kg × 9.8 m/s^2 = 1960 NW = F × d = 1960 N × 5 m = 9800 J

Aceleración de vehículos

Los coches aceleran utilizando el trabajo realizado por el motor contra fuerzas resistivas como la fricción. Si el motor de un coche ejerce fuerza para superar la fricción y mover el coche, esto se puede calcular usando conceptos de fuerza variable para descubrir cómo se consume la energía.

Aerogeneradores

Los aerogeneradores convierten la energía cinética del viento en energía mecánica utilizando el trabajo realizado en las palas del generador por la fuerza del viento. Aquí, el cálculo del trabajo involucra un enfoque de integración porque la fuerza del viento varía.

Conclusión

El trabajo realizado por fuerzas en física es un concepto que conecta lo abstracto con lo práctico. Ya sea que se trate de fuerzas estáticas como las ejercidas por el motor de un coche o fuerzas variables como la compresión de un resorte o la generación de electricidad a través del viento, los principios siguen siendo fundamentales para la comprensión y aplicación efectiva de sistemas mecánicos. Al entender tanto los cálculos como las aplicaciones, obtenemos información valiosa sobre los principios que gobiernan las interacciones de momento y energía.


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Trabajo realizado por una fuerza constante y variable

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