FS 3º medio Guía Trabajo potencia y energia mecánica

GUA ESTUDIOS N5

GUINV3

CBFS

A070

05V2

CURSO DE NIVELACIN AC

ADMICA

Fsica

3 MEDIO

GUA DE ESTUDIO N 5Fsica

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Gua 5: Trabajo, Potencia y Energa Mecnica

OBJETIVOS:

Utilizar las nociones cuantitativas bsicas de:

- trabajo mecnico

- potencia mecnica

- energa cintica

- energa potencial gravitatoria

- energa mecnica

Aplicar las leyes de conservacin de la energa mecnica para explicar diversos fenmenos y sus aplicaciones en la resolucin de problemas.

Qu es la energa?

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1. Energa

Lo ms probable es que hayas escuchado la clebre frase, la energa no se crea ni se destruye solo se transforma. Pero, qu es la energa?

Para no centrarnos en un debate filosfico, la definicin cientfica de energa es:

LA CAPACIDAD PARA REALIZAR TRABAJO MECNICO.

1.1 Trabajo mecnico

Si un cuerpo se mueve en lnea recta, y sobre l se est ejerciendo una fuerza F , y adems el cuerpo se desplaza una distancia X , el trabajo mecnico simbolizado por W , es:

W = F x

Tanto la energa como trabajo mecnico tienen como unidad de medida en el S.I. el Joule.

1 joule = 1 Newton 1 metro

Es importante destacar que el trabajo mecnico depende del sentido y magnitud de la fuerza y el movimiento. Vamos a estudiar tres casos, todos ellos para una fuerza constante.

a. Si la fuerza va en el mismo sentido del desplazamiento, entonces el trabajo es positivo.

W = F D

Movimiento Movimiento

F F

x1D

x2

b. Si la fuerza va en el sentido contrario del movimiento, entonces el trabajo es negativo.

W = F DMovimiento Movimiento

F F

x2D

x1


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c. Si la fuerza es perpendicular al movimiento, entonces el trabajo es cero.

W = 0

Movimiento Movimiento

F F

x1D

x2

Note que la definicin de energa est asociada a una fuerza.

Ejercicios

1. Si sobre una mesa horizontal se encuentra una caja sobre la cual se ejerce una fuerza de magnitud 10 (N), entonces el trabajo realizado por la fuerza sabiendo que esta se est ejerciendo en el mismo sentido que el movimiento y que el cuerpo se desplaz 3 (m) es

A) 30 (Nm)

B) -30 (Nm)

C) 3,3 (Nm)

D) -3,3 (Nm)

E) 13 (Nm)

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2. Qu trabajo realiza Juan si levanta 0,5 (m) una bolsa con pan cuyo peso tiene una magnitud de 30 (N)?

A) 0 (Nm)

B) 15 (Nm)

C) -15 (Nm)

D) 60 (Nm)

E) -60 (Nm)

3. Qu trabajo realiza un abogado que camina por la vereda y lleva su maletn cuyo peso tiene una magnitud de 50 (N) y se desplaza 4 (m)?

A) 200 (Nm)

B) -200 (Nm)

C) 12,5 (Nm)

D) -12,5 (Nm)

E) 0 (Nm)

4. El desplazamiento de un objeto que se mueve en lnea recta y sobre el cual se ejerce un trabajo de -350 (J) cuya fuerza asociada es de magnitud 70 (N) es

A) 2450 (m)

B) -2450 (m)

C) -5 (m)

D) 5 (m)

E) 0 (m)


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1.2 Potencia mecnica

La potencia mecnica P es la cantidad de trabajo realizado por unidad de tiempo, es decir, mientras mayor trabajo se realice en un determinado tiempo, mayor ser la potencia.

P = WtLa unidad de medida de la potencia en el S.I. es el watt:

1 Watt = 1 Joule1 segundo

Ejercicios

5. Una gra levanta 1000 (N) de ladrillos desde el suelo hasta una altura de 220 (m) en 8 segundos. La potencia mecnica asociada a la gra es

A) 36,4 (Watt)

B) 27500 (Watt)

C) 1,76 (Watt)

D) 1760000 (Watt)

E) 0,57 (Watt)

6. Cul es la potencia mecnica de un futbolista si puede correr arrastrando neumticos de 250 (N) con una rapidez de 0,5 (m/s)?

7. La potencia mecnica de un ascensor es de 10500 (W). Si sube 5 pisos en 20 segundos, cul es la fuerza que lleva? (cada piso son 3 metros).

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1.3 Tipos de energa

Como ya conocemos la definicin cientfica de energa, nos centraremos a estudiar los tipos de energa mecnica.

Ciertamente habrs escuchado que existen diversos tipos de energa tales como la energa elica, o energa elctrica producida gracias a las centrales hidroelctricas. Pero la energa elica es energa del movimiento o energa cintica, y las centrales hidroelctricas producen energa gracias a la energa potencial gravitatoria que posee el agua.

Por lo tanto estudiaremos solo los dos tipos de energa que se estudian en mecnica: Energa cintica y Energa potencial.

1.3.1 Energa cintica

Es la energa que posee un cuerpo en movimiento, depende de la masa del cuerpo y la rapidez que este posea, es decir.

Ek = 12 m v2

Ek = Energa cintica

m = masa del cuerpo

v = rapidez del cuerpo


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Ejercicios

8. Calcule la energa cintica que tiene una persona que corre una maratn, sabiendo que masa 65 (kg) y lleva una rapidez de 3 (m/s).

A) 195 (J)

B) 21,7 (J)

C) 97,5 (J)

D) 292,5 (J)

E) 585 (J)

9. Si Mara tiene una masa de 50 (kg) y lleva una rapidez de 4 (m/s) y Manuel tiene una masa de 100 (kg) y lleva una rapidez de 3 (m/s), cul(es) alternativa(s) es (son) correcta(s)?

I. Mara posee mayor energa cintica.

II. La diferencia positiva entre sus energas cinticas es de 50 (J).

III. Si Manuel aumentara su velocidad al doble, entonces su energa cintica tambin aumentara al doble.

A) Solo I

B) Solo II

C) Solo III

D) II y III

E) I y III

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10. Si un auto tiene una masa de 1500 (kg) y lleva una rapidez de 1,5 (m/s), a qu velocidad debera ir una persona en bicicleta para tener la misma energa cintica del auto sabiendo que la persona tiene una masa 80 (kg) y la bicicleta 20 (kg)?

11. Si la energa cintica de un cuerpo es X, en cunto debo aumentar su velocidad si deseo que la energa cintica aumente al cudruple?

1.3.2 Energa potencial gravitatoria

Es la energa que posee un cuerpo que est sometido a un campo gravitatorio y que acelera al cuerpo con una gravedad g . La ecuacin que define esta relacin es:

Ep = m g h

Ep = energa potencial gravitatoria

m = masa de un cuerpo

g = gravedad

h = altura del cuerpo m

h

gTIERRA


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Ejercicios

12. Cunta energa potencial gravitatoria tiene un avin de masa 10.000 (kg) que viaja a 5 (km) de altura?

A) 5x108 (J)

B) 5x104 (J)

C) 2000 (J)

D) 2 (J)

E) 0 (J)

13. Un macetero tiene una energa potencial gravitatoria de 60 (J), si la masa del macetero es de 3 (kg), a qu altura se encuentra?

A) 180 (m)

B) 0,05 (m)

C) 20 (m)

D) 2 (m)

E) 63 (m)

14. Una nia realiza un trabajo de 450 (J) para subirse a una escalera de 1,5 (m) Cul es la masa de la nia?

15. Una pelota de tenis de masa 0,25 (kg) tiene una rapidez de 3 (m/s). A qu altura debera estar una pelota de las mismas caractersticas para que su energa potencial gravitatoria sea igual a la de la pelota en movimiento?

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1.3.3 Energa mecnica y su conservacin

Si un cuerpo de masa m se est moviendo con cierta velocidad v y adems se encuentra a cierta altura h de la un campo gravitatorio de gravedad g, entonces ese cuerpo tendr tanto energa cintica como energa potencial gravitatoria.

La suma de estas energas se denomina energa mecnica la cual se conservar a menos que exista algo que la disipe como por ejemplo el roce.

En esta ocasin atenderemos a las situaciones donde la energa mecnica se conserva, es decir, en cualquier instante de tiempo:

EM = Ek + Ep

Energa cintica

Energa potencial

Energa potencial


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Ejercicios

16. Una pelota de masa 1 (kg) se deja caer desde un edificio de 10 (m) de altura:

A

B

h

a. Calcula la energa mecnica antes de ser soltada la pelota.

b. Calcula la energa mecnica cuando la pelota llega al suelo.

c. Cul es la velocidad de la pelota al llegar al suelo?

d. Cul es la energa mecnica en la mitad del viaje?

e. Cul es la energa potencial a la mitad del viaje?

f. Cul es la velocidad de la pelota a la mitad del viaje?

g. A qu altura la energa cintica es el doble de la energa mecnica?

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17. Sobre un carro de masa 2(kg), que se encuentra en un plano horizontal, se aplica una fuerza paralela al suelo de magnitud 6(N), producto de lo cual el carro se desplaza horizontalmente 10(m). Cul es el trabajo realizado por la fuerza aplicada sobre el carro?

A) 6 (J)

B) 12 (J)

C) 20 (J)

D) 60 (J)

E) 120 (J)

18. Un cuerpo de masa 6(kg) se deja caer libremente, si la magnitud de la aceleracin de gravedad es 10(m/s2) y en un punto A de su trayectoria tiene una energa potencial gravitatoria de 120(J), a qu altura se encuentra el punto A?

A) 2 (m)

B) 6 (m)

C) 10 (m)

D) 12 (m)

E) 60 (m)


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19. Un cuerpo de masa 2(kg) se lanza verticalmente hacia arriba desde una altura de 3(m), cul es la energa cintica que tiene el cuerpo en el punto ms alto?

A) 0 (J)

B) 2 (J)

C) 3 (J)

D) 6 (J)

E) 60 (J)

20. Una esfera de masa 1(kg) se mueve con una rapidez de 6(m/s), si la esfera se encuentra a una altura de 2(m) y la magnitud de la aceleracin de gravedad es 10 (m/s2), cul es su energa mecnica?

A) 18 (J)

B) 20(J)

C) 36 (J)

D) 38 (J)

E) 56 (J)

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Preguntas de sntesis

Ests de acuerdo con que la energa no se crea ni se destruye sino que solo se transforma?

Qu sucede con la energa potencial gravitatoria que posee un objeto que cae libremente?

Qu sucede con la energa cintica de un auto que frena?

Tabla de respuestasCLAVES

N Pregunta Alternativa Correcta

1 A

2 C

3 E

4 C

5 B

8 D

9 B

12 A

13 D

17 D

18 A

19 A

20 D

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