Principios generales de las mquinas

1. Definicin de mquina

Mquina es aquel dispositivo creado para transformar una forma de energa en otra. Esta compuesto por una estructura y unos mecanismos que son los encargados de la transformaciones enrgticas.

2. Conceptos bsicos

2.1 Energa = La capacidad de producir un efecto util llamado trabajo. La energa puede producir trabajo y realizando trabajo se puede acumular energa.

Ejemplo : muelle

2.2Trabajo = Es el producto de una fuerza F aplicada sobre un cuerpo por la distancia s que este recorre a consecuencia de la fuerza aplicada.W = FsW = trabajoLa unidad de la energa y el trabajo es la misma, el Julio.J= NmJ= julioN = Newtonm = metro

Actividades

1. Si elevo un objeto de 5 kg durante a un kilometro de altura Cuanto trabajo realizo?.2. Si arrastro un bloque con una fuerza de 30 N durante 5 Km , pero la cuerda forma un angulo de 30 con la horizontal Cuanto valdra el trabajo que realizo?

2.3 Momento de fuerzas M: es una fuerza aplicada con efecto de giro (tiene que ver con los movimientos rotacionales)Es la fuerza que se aplica por la deistancia a un punto que determinamos que es el origen de referenciasM = F. d

2.4 El trabajo rotacionalEes cuando el movimiento se produce alrededor de un eje.W = M . M = momento de giro

= ngulo girado en radianes.

Puede ser mayor de 2, segn el nmero de vueltas dado.El momento se miden en N.m en el S.I.,,. en Kpm

1 revolucin = 2 radianes

2.5 La potencia: se define como el trabajo realizado por unidad de tiempo(segundos). Nos indica, portanto, la rapidez con la que ser realiza un trabajo. Su unidad es el watio (W).

W = trabajo realizado en julios (J)t = tiempo en segundos (s)P = potencia en vatios (W)

Actividades

3. En una fbrica hay una maquina que necesita desarrollar una fuerza de 2200N para mover una carga 3 m , tarda 6 segundos.

a. Cunto trabajo realiza?b. Cunta potencia desarrolla?4. Un montacargas necesita desarrollar una fuerza de 5000N para subir a 4 personas unos 250 m, tarda 7 segundos en hacerlo.

a. Cunto trabajo realiza? b. Cunta potencia desarrolla?

3. Tipos de energa

Energa mecnica: La energa mecnica es quizs la ms comn e intuitiva, es la energa relacionada con el movimiento o la posicin que un cuerpo ocupa respecto a otro. Ejemplo: En una central hidroelctrica se aprovecha la energa mecnica que tiene el agua al caer para mover las turbinas unidas al rotor de un generador.Em= Ec+Ep

Energa cintica:Es la energa que tiene un cuerpo debido a su movimiento. Su expresin es la siguiente: Ec= m v2.M = es la masa del cuerpo que se mueve v = la velocidad con la que se mueve.Ejemplo:Una bola de billar en movimiento tiene una energa cintica que viene determinada por su velocidad, est energa cintica se puede aprovecharpara mover otra bola (mediante un choque)Ejemplo numrico: Un cuerpo de 10 kg que se mueve a una velocidad de 5 m/s, posee una energa cinticaEc = 10 kg (5 m/s) 2= 125 J

Toda partcula con una velocidad determinada puede realizar un trabajo, pero slo lo realiza cuando pierde parte de su energa cintica, siendo el trabajo realizado igual a la energa cintica perdida.W = Ecf-Eci

Ejemplo numerico: Cada bola tiene una masa de 200g , la bola negra tiene una velocidad inicial de 3m/s y la bola blanca una velovidad final de 2m/s.a) Cuanto trabajo realiza la bola negra? Ei= m v2.=> Ei= 0,2 32.= 0,9JEf= m v2.=> Ef= 0,2 02.= 0 JW= Ef-Ei = 0 0,9 = -0,9Jb) Cuanto trabajo se realiza si se considera el conjunto?Ei= m v2.=> Ei= 0,2 32.= 0,9JEf= m v2.=> Ef= 0,2 22.= 0,4 JW= Ef-Ei = 0,4 0,9 = -0,5J

Energa potencial: Es la energa que tiene un cuerpo debido a su posicin respecto a otro. Un caso muy particular es la energa potencial gravitacional que es la que tienen los cuerpos debido a su posicin respecto del suelo. Su expresin matemtica es: Ep = mgh Donde g es la aceleracin de la gravedad g =98 m/s2 (en la Tierra)Ejemplo numrico: Un cuerpo de 10 kg de masa situado a 5 m de altura posee una energa potencial que vale Ep = 20 kg 98 m/s2 5 m = 980 J.De la misma forma que antes, todo cuerpo con Ep puede realizar un trabajo cuando pierde parte de esa energa.W = Epf-Epi

Actividades

5. Un proyectil de 0,4 Kg atraviesa una pared de 0,5 m de espesor . La velocidad del proyectil al llegar a la pared era de m/s y al salir, de 100 m/s.a) Energia inicial y final de proyectil.b) trabajo realizado por el proyectil.

6. Una gra eleva una masa de 1000Kg a una altura de 15m en de minuto.a) Qu trabajo realiza?b) Cual es su potencia?

7. Calcula la energa cintica, potencial y mecnica que tienen un objeto de 120 Kg de masa que se lanza desde el aire a 100 m de altura, en los siguientes puntos:a) Antes de soltar el objetob) Cuando est a 10 m del sueloc) Cuando est a punto de tocar el suelo

Energa trmica

La energa trmica en los cuerpos: se debe al movimiento de las partculas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendr menos energa trmica que otro que est a mayor temperatura. La transferencia de energa trmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor.

Esta transferencia de enrga se puede dar de tres modos , por contacto, por convecin y por radiacin.

Todos los materiales no absorben o ceden calor del mismo modo, pues unos materiales absorben el calor con mayor facilidad que otros. Ese factor depende del llamado calor especfico del material Ce.Cada material tiene su propio calor especfico.

1 cal = 4,184 J ; 1 Kcal = 4,186 Kj

El calor cedido o absorbido por un cuerpo cuando vara su temperatura: Q = m Ce T

Actividades

8. Calcula la masa de carbn necesaria para obtener una energa de 8.107 J, si el poder calorfico del carbn es de 7200 kcal/kg (1cal = 4,18 J).

9. Calcula la masa de carbn necesaria para obtener una energa de 90.107 J, si el poder calorfico del carbn es de 7200 kcal/kg (1cal = 4,18 J)

10.Calcula la energa, en KWh, que ha consumido una mquina que tiene 40 CV y ha estado funcionando durante 3 horas.

11. Determina la temperatura final de 3,5 l de agua si ha absorbido una energa de 5 Kcal y est en una habitacin que se mantiene a 20 C

Energa elctrica

Energa elctrica: Es la energia asociada a la corriente electrica, es decir, a lascargas electricas en movimiento. Es la de mayor utilidad por las siguientes razones:- Es facil de transformar y transportar- No contamina alla donde se consuma- Es muy comoda de utilizarExpresiones para la energa elctricaE = P t donde P es la potencia (vatios) de la maquina que genera o consume laenergia durante un tiempo (segundos) tE = VIt donde V es el voltaje (voltios), I es la intensidad de corriente electrica (Amperios).

Energa qumica de combustin

Es la energa que se obtiene al quemar un combustible. El combustible puede ser lquido, solido o gaseoso. Eq= Pc.m(slidos y lquidos) Pc. V(gases)

Energa nuclear de fisin

Es la energa que se libera al fisionar o romper un ncleo de uranio. Esta energa se libera en forma de calor. En las reacciones de fisin, el peso del componente de uranio que bombardeamos es ligeramente superior que los pesos de los productos que resultan de la fisin. Esta diferencia de peso es la que se transforma en energa.En = m. c2m =masa que ha desaparecido en la fisinc=velocidad de la luz = 3 x 108 m/s

Actividades

12.Qu energa (en julios) consume una plancha de 220 V por la que circula una intensidad de 5 A y est conectada 1 hora y media?

13. Calcula la cantidad de calor que se acumula en el agua del radiador de un coche, antes de que se ponga el ventilador en marcha,, si la temperatura se eleva desde los 20 C hasta los 95 C. El volumen de agua es de 3,5 litros.

14. Una fbrica necesita 100 Kwh. diarios. Calcula la masa de combustible qu se necesita y el precio, si utiliza:a) Carbn de hulla: Pc = 7000 kcal/kg0,15 /kgb) Cscara de almendra: Pc = 4800 kcal/kg 0,03 /kgEn ambos casos el rendimiento es del 60%.

Actividades

15. Calcula la energa liberada (en Kcal) en una reaccin nuclear suponiendo que se han transformado 3 g de uranio en energa calorfica.dato c= velocidad de la luz = 3 x 108 m/s16. Cunta energa se precisa para elevar hasta los 60C una sartn de acero inoxidable (Ce= 0,22 kcal/kg C). La sartn tiene una masa de 0,5 kg. y se encuentra inicialmente a una temperatura de 5 C.17. Para elevar 200 l. de agua a 20 C hasta los 80 C, cunta madera debemos quemar? ,y si el combustible hubiese sido gasolina? Suponemos que no hay prdidas.Datos: Pc madera = 3500 kcal/kg. Pc gasolina = 11300 kcal/kg18. Una fbrica necesita 100 Kwh. diarios. Calcula la masa de combustible qu se necesita y el precio, si utiliza:a) Carbn de hulla: Pc = 7000 kcal/kg 0,15 /kgb) Cscara de almendra: Pc = 4800 kcal/kg 0,03 /kgEn ambos casos el rendimiento es del 60%

4. El principio de conservacin de la energa

La energa no se crea ni se crea ni se destruye, simplemente se transforma . Por tanto las diferentes formas o tipos de energa pueden transformarse en otras .

5. El rendimiento

aunque la energa no se destruye, si es importante destacar que pierde calidad a medida que se producen transformaciones. Esto significa que el trabajo que se puede obtener de esa cantidad de energa inicial disminuye a medida que se producen transformaciones sucesivas. Esto es as porque en cada transformacin se producen prdidas energticas (en forma de calor). Aparece entonces un nuevo concepto: el rendimiento . Se define como la relacin entre la energa utilizado y el trabajo obtenido, y nos mide la calidad de la transformacin energtica. Su expresin matemtica es:

19. Un motor de gasoil ha consumido 0,5 litros elevando 40 Tm. hasta una altura de 15 metros. Qu energa ha consumido? qu trabajo ha realizado y cul es surendimiento? Dato: Pc = 44800 kJ/kg , y densidad d = 0,85 kg/litro.20. Hemos puesto una olla con 8 litros sobre el fogn de una cocina. El agua se encuentra inicialmente a 10 C, y para calentarla emplearemos gas butano (Pc = 49510 kJ/kg), suponemos que slo se aprovecha en 60% del calor generado en la combustin. Qu cantidad de butano ser necesaria para elevar el agua hasta los 100C?21. Determina el trabajo realizado en elevar un peso de 200 N una altura de 20 metros. Se ha tardado en realizar este trabajo 50 segundos:a) qu potencia se ha desarrollado?b) Si el motor empleado trabaja a 230 V, qu intensidad de corriente consume?

22. Un vehculo con una masa de 500 kg. se desplaza a una velocidad de 50 km/h.a) Qu energa cintica tiene?b) Ha tenido que frenar hasta reducir su velocidad a 20 km/h. Qu energa ha dejado en la frenada?

23.Un motor de gasoil eleva mediante una gra un peso de 950 Kg a una altura de 25 m. Calcula la cantidad de gasoil que debe quemar el motor si el rendimiento es del 30 %.

24.Una bombilla conectada a 220 V y que tiene una potencia de 15 W, est encendida una media de 4 horas al da. Calcula la energa que consume en KWh y en J, durante el mes de Octubre.