Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
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  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Trabajo realizado por la fuerza


En el campo de la física, entender el concepto de trabajo realizado por una fuerza es fundamental para el estudio de la energía. Este concepto fundamental sirve como un puente entre las fuerzas que actúan sobre un objeto y los cambios de energía que resultan. A lo largo de esta explicación, exploraremos la definición de trabajo, profundizaremos en la formulación matemática y examinaremos varios escenarios donde se aplica el concepto de trabajo.

¿Qué es el trabajo?

En el lenguaje cotidiano, "trabajo" significa una variedad de tareas y actividades. Sin embargo, en física, el trabajo tiene una definición muy específica. Se realiza trabajo cuando se aplica una fuerza a un objeto para moverlo en la dirección de la fuerza. Dos componentes esenciales están implícitos en esta definición: se debe aplicar una fuerza, y debe haber movimiento o desplazamiento en la dirección de esa fuerza.

Definición matemática del trabajo

Matemáticamente, el trabajo realizado por una fuerza se define utilizando la siguiente ecuación:

W = F · d · cos(θ)

Donde: - W representa el trabajo realizado por la fuerza, en julios (J). - F es la magnitud de la fuerza aplicada, medida en newtons (N). - d es el desplazamiento del objeto en la dirección de la fuerza, medido en metros (m). - θ (theta) es el ángulo entre el vector de fuerza y la dirección del desplazamiento.

Si la dirección de la fuerza y el desplazamiento son la misma, entonces θ es 0 grados, y la ecuación se simplifica a:

W = F · d

Comprendiendo los componentes de la tarea

Fuerza y su dirección

Una fuerza aplicada a un objeto puede verse como un vector, que tiene tanto magnitud como dirección. Esta representación vectorial es importante porque el trabajo se realiza solo por el componente de la fuerza que actúa en la dirección del desplazamiento.

Considere un bloque que se empuja a lo largo de una superficie:

F D

En la ilustración anterior, un bloque está siendo actuado por una fuerza F que lo está moviendo a lo largo de una superficie horizontal con un desplazamiento d.

Desplazamiento

El concepto de desplazamiento en física se refiere al cambio en la posición de un objeto debido a una fuerza aplicada. Es importante notar que solo el desplazamiento en la dirección de la fuerza es un factor en el cálculo del trabajo.

Ángulo entre la fuerza y el desplazamiento

El ángulo θ está entre la dirección de la fuerza aplicada y el desplazamiento realizado. El coseno de este ángulo nos da la relación de la fuerza que está actuando efectivamente al desplazamiento que se está realizando.

Por ejemplo, si la fuerza se aplica en un ángulo al desplazamiento, se usa un cálculo diferente para determinar el trabajo realizado, acomodando solo el componente paralelo de la fuerza que ayuda a mover el objeto.

F D θ

Acciones positivas y negativas

El trabajo realizado por una fuerza puede ser positivo, negativo o cero, dependiendo de la dirección de la fuerza en relación con la dirección del desplazamiento.

Acción afirmativa

Cuando la fuerza aplicada tiene un componente en la dirección del desplazamiento, el trabajo realizado es positivo. Por ejemplo, considere una persona que empuja una caja en el suelo. Si la dirección del empuje coincide con la dirección del movimiento, se realiza trabajo positivo.

Trabajo Positivo: θ = 0°, W = F · d

Funciones negativas

El trabajo negativo ocurre cuando la fuerza aplicada está en la dirección opuesta al desplazamiento. Esto generalmente significa que la fuerza está actuando contra el movimiento, como la fricción o la resistencia del aire. Un ejemplo práctico es la fuerza de frenado de un coche actuando en la dirección opuesta a su movimiento.

Trabajo Negativo: θ = 180°, W = -F · d

En tales casos, la fuerza resulta en que el objeto disminuya su velocidad, extrayendo energía del sistema.

Trabajo cero

Si la fuerza es perpendicular al desplazamiento, no se realiza trabajo por la fuerza sobre el objeto. Este escenario puede verse con un objeto moviéndose en un círculo bajo la influencia de la fuerza centrípeta. La fuerza es perpendicular a la dirección del movimiento, resultando en que no se realice trabajo.

Trabajo Cero: θ = 90°, W = 0

Trabajo realizado por fuerzas variables

Hasta ahora, la discusión se ha centrado en fuerzas constantes. Sin embargo, en aplicaciones del mundo real, las fuerzas a menudo varían en magnitud y/o dirección. Calcular el trabajo realizado en tales casos requiere integración. Esto significa sumar infinitas cantidades de trabajo realizado sobre pequeños desplazamientos.

Enfoques matemáticos

El trabajo realizado por una fuerza variable puede calcularse usando la forma integral de la ecuación de trabajo:

W = ∫ F(x) · dx

donde F(x) es la fuerza variable en la dirección del desplazamiento, y dx es el elemento de desplazamiento diferencial.

Ejemplos de trabajo realizado en la vida cotidiana

El concepto de trabajo realizado por una fuerza puede ilustrarse en varios escenarios comunes:

Trabajo realizado por la gravedad

La fuerza de la gravedad trabaja sobre un objeto cuando se mueve bajo la influencia de la fuerza de gravedad. Cuando una manzana cae de un árbol, la gravedad realiza un trabajo positivo sobre ella, convirtiendo la energía potencial en energía cinética.

W_gravedad = m · g · h

Donde m es la masa del objeto, g es la aceleración debida a la gravedad, y h es la altura desde la que cae.

Trabajo realizado por la fuerza del resorte

Otro ejemplo es el trabajo realizado por las fuerzas del resorte, donde se aplica la ley de Hooke. El trabajo realizado al comprimir o extender un resorte puede darse de la siguiente manera:

W_resorte = 1/2 · k · x²

Aquí, k es la constante del resorte, y x es la compresión o extensión medida desde la posición de equilibrio.

El trabajo realizado al tirar o empujar un objeto

Cuando una persona tira de un carro con una cuerda en un plano horizontal en un ángulo respecto al horizonte, el trabajo realizado se determina teniendo en cuenta tanto la fuerza aplicada como el ángulo con el plano, lo que requiere una descomposición vectorial en el cálculo.

Por ejemplo, supongamos que se aplica una fuerza de 50 N para tirar de un carro 5 m, donde la fuerza forma un ángulo de 30° con la dirección horizontal, entonces:

W = 50 · 5 · cos(30°) = 50 · 5 · √3/2 = 125√3 J

Conclusión

Comprender el trabajo realizado por una fuerza enriquece nuestra comprensión de las transformaciones energéticas en varios procesos físicos. Proporciona una base desde la cual derivan otros principios energéticos como la conservación de la energía. Sus aplicaciones van desde sistemas mecánicos simples hasta fenómenos más complejos observados en la ingeniería y la tecnología.

Desde una perspectiva más profunda, el trabajo como un concepto primario facilita el progreso en la comprensión de temas más avanzados de la física, incluyendo la fuerza, la energía, el momento y sus interrelaciones, allanando el camino para la exploración sin trabas de las leyes físicas que gobiernan nuestro universo.


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Trabajo realizado por la fuerza

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