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Concepto de sistema y entorno Un sistema es una región del Universo sobre la que vamos a centrar nuestra atención. Se ignorarán los detalles acerca del resto del Universo exterior al sistema. Ejemplos de sistemas: Un sólo objeto o una partícula. Una colección de objetos o par...

Concepto de sistema y entorno Un sistema es una región del Universo sobre la que vamos a centrar nuestra atención. Se ignorarán los detalles acerca del resto del Universo exterior al sistema. Ejemplos de sistemas: Un sólo objeto o una partícula. Una colección de objetos o partículas. - Una determinada región del espacio. El límite de un sistema es una superficie imaginaria o real que divide el Universo entre el sistema y el resto del Universo (definido como entorno). Energía: La energía es una propiedad fundamental del universo que se define como la capacidad de transformaciones o producir un cambio en un sistema físico. En otras palabras, la energía es la capacidad de hacer que las cosas sucedan o cambiar su estado. La energía no se crea ni se destruye, según el principio de conservación de la energía, pero puede moverse de un sistema a otro y acumularse allí. La energía no tiene signo per sé. Cuando se le asigna un sign, es porque se quiere indicar si esta entra o sale del sistema. Por ejemplo, si asigno (+) a la energía entrante al sistema A, cuando energía salga de ese sistema se asignará (-). Es arbitrario y podríamos haber establecido el sentido opuesto. La energía no se transforma, porque la energía es una magnitud física inventada por el hombre para representar la capacidad de realizar transformaciones... entonces son los sistemas son los que se transforman y no la energía en si... ahora con eso en mente, presentamos algunos los ejemplos de las transformaciones que la energía produce cuando entra o sale de los sistemas y sus nombres asociados. Energía cinética: La energía asociada al movimiento de un objeto. Cuanto más rápido se mueve un objeto y cuanta más masa tiene, mayor es su energía cinética. Energía potencial: La energía almacenada en un objeto debido a su posición dentro de un campo. Energía térmica / calor: La energía asociada al cambio de la temperatura de un objeto. Trabajo: El trabajo es la transferencia de energía que ocurre cuando una fuerza se aplica a través de una distancia. El trabajo se realiza cuando un objeto se mueve debido a la aplicación de una fuerza. Energía del resorte: La energía almacenada en un resorte cuando se comprime o estira. Cuando un resorte se comprime, almacena energía. Cuando se libera, esta energía se mueve a energía cinética o de otras formas, dependiendo de cómo se libere el resorte. Potencia: La definición de trabajo no menciona el paso del tiempo. Si usted levanta una barra que pesa 100 N a una distancia vertical de 1.0 m con velocidad constante, realiza (100 N) (1.0 m) 5 100 J de trabajo, ya sea que tarde 1 segundo, 1 hora o 1 año. No obstante, muchas veces necesitamos saber con qué rapidez se efectúa trabajo. Describimos esto en términos de potencia. En el habla cotidiana, “potencia” suele emplearse como sinónimo de “energía” o “fuerza”. En física usamos una definición mucho más precisa: Potencia es la rapidez con que se efectúa trabajo; al igual que el trabajo y la energía, la potencia es una cantidad escalar. Si se realiza un trabajo DW en un intervalo Dt, el trabajo medio efectuado por unidad de tiempo o potencia media Pmed se define como: Trabajo: (Cambia la posición, por efecto de una fuerza) Mientras el cuerpo se mueve, una fuerza constante actúa sobre él en la dirección del desplazamiento (figura 6.2). Definimos el trabajo W realizado por esta fuerza constante en dichas condiciones como el producto de la magnitud F de la fuerza y la magnitud s del desplazamiento:  Solo las componentes de la fuerza en direccion al movimiento, son las que “realizan” trabajo Trabajo: Positivo, negativo o cero: (Esto es un criterio, pero se podría tomar el opuesto) Lo que no es criterio, es que en a) la energía ENTRA al sistema “bloque”, y en b) la energía SALE del sistema al entorno. en c) no entra ni sale (Al menos debido a trabajo) Trabajo de una fuerza variable: Para determinar el trabajo realizado por esta fuerza, dividimos el desplazamiento total en segmentos pequeños, Dxa, Dxb, etcétera. Aproximamos el trabajo realizado por la fuerza en el segmento Dxa como la componente x media de fuerza Fax en ese segmento multiplicada por el desplazamiento Dxa. Hacemos esto para cada segmento y después sumamos los resultados. El trabajo realizado por la fuerza en el desplazamiento total de x1 a x2 es aproximadamente: En el límite donde el número de segmentos se hace muy grande y su anchura muy pequeña, la suma se convierte en la integral de Fx de x1 a x2: … Energía elástica: (Cambia la deformación de un resorte) Primero observemos esto que se denomina la ley de Hooke. La fuerza necesaria para deformar un resorte es variable y linealmente proporcional a dicha deformación. Fx = K x , donde K es la constante del resorte Ahora, como para toda transformación, es necesario agregar o sacar energía, calculemos cuanta energía es necesaria para deformar el resorte en una cantidad x, como muestra la figura. En este caso, se deberá realizar un trabajo con la fuerza externa Fx,que tiene igual magnitud que la del resorte pero en sentido opuesto. Notar que en este caso, obtenemos signo (+) cuando la energía entra (Deslazamiento a la derecha) y (-) cuando sale (Si soltamos lentamente para que regrese al punto original)... iríamos de x a o en caso de soltarlo… Energía cinética: (Cambia la velocidad de un cuerpo con masa) Supongamos una partícula de masa 𝑚 que se mueve hacia la derecha a lo largo del eje 𝑥 bajo la acción de una fuerza neta ∑ 𝐹, también orientada hacia la derecha. Supongamos que la partícula se desplaza ∆𝑥 = 𝑥𝑓 − 𝑥𝑖 El trabajo realizado por la fuerza sobre la partícula es: Se define como energía cinética acumulada en un cuerpo con masa m y velocidad v, a la expresión: entonces: a esta expresión se la llama, Teorema de trabajo-energía cinética -Teorema de las fuerzas vivas. Energía potencial gravitacional: (Cambia la posición relativa de un objeto con masa en un campo gravitatorio) En muchas situaciones, parece que se almacena energía en un sistema para recuperarse después. Por ejemplo, hay que efectuar trabajo para levantar una roca pesada. Parece razonable que, al levantar la roca en el aire, se está almacenando energía en el sistema, la cual se puede usar después al dejarcaer la roca. Este ejemplo señala a la idea de una energía asociada con la posición de los cuerpos en entrornos donde hay un campo. Este tipo de energía es una medida del potencial o posibilidad de acumular. Por ello, la energía asociada con la posición dentro de un campo se llama energía potencial. Como en este caso hablamos del campo gravitatorio, entonces será la energía potencial gravitacional. Deduzcamos la expresión para energía potencial gravitacional. Consideremos un cuerpo de masa m que se mueve en el eje y (vertical), como en la figura Las fuerzas que actúan sobre él son su peso, de magnitud w = mg, y tal vez otras; llamamos F(otras) a la suma vectorial (resultante) de todas las otras fuerzas. Queremos determinar el trabajo efectuado por el peso cuando el cuerpo cae de una altura y1 sobre el origen a una altura menor y2 (figura a). El peso y el desplazamiento tienen la misma dirección, así que el trabajo Wgrav efectuado sobre el cuerpo por su peso es positivo; Esta cantidad, el producto del peso mg y la altura “y”, se define como la energía potencial gravitacional, Ugrav: Su valor inicial es Ugrav1 = mgy1 y su valor final es Ugrav2 = mgy2. Si establecemos el cambio en Ugrav (El delta Ugrav) que se define como su valor final menos su valor inicial: ΔUgrav = Ugrav2 - Ugrav1. Podemos expresar el trabajo Wgrav realizado por la fuerza gravitacional durante el desplazamiento de y1 a y2 como: Conservación de la energía mecánica (sólo fuerzas gravitacionales) El teorema trabajo-energía, indica que el trabajo total efectuado sobre el cuerpo es igual al cambio en su energía cinética; Si la gravedad es la única fuerza que actúa, entonces, Juntando todo: Ahora definimos la suma K + Ugrav de las energías cinética y potencial como E, la energía mecánica total del sistema, y decimos que si solo actua la gravedad, la energía mecanica se conserva. (Es constante). Fuerzas conservativas y no conservativas: Una característica fundamental de las fuerzas conservativas es que su trabajo siempre es reversible. Algo que depositamos en el “banco” de energía puede retirarse después sin pérdida. Ejemplos pueden ser los vistos para el caso de la fuerza de gravedad para caida libre o la fuerza para deformar un resorte. Ademas, El trabajo realizado por una fuerza conservativa como la gravedad depende sólo de los extremos de la trayectoria de movimiento, no sobre la trayectoria específica seguida entre esos puntos. Decimos que el trabajo de una fuerza conservativa no depende de la trayectoria. Fuerza no conservativa, dependencia del trabajo con la trayectoria. Supongamos que desplazamos un libro entre dos puntos de una mesa. Si el libro se desplaza a lo largo de una línea recta entre los puntos A y B, siguiendo la trayectoria azul, y si queremos que el libro se mueve con rapidez constante, habrá que realizar un trabajo contra la fuerza cinética de fricción. Ahora empujamos el libro siguiendo la trayectoria semicircular marrón. El trabajo realizado contra la fuerza de fricción es mayor que en el caso anterior porque el camino recorrido es mayor. El trabajo realizado depende del camino recorrido y, por lo tanto, la fuerza de fricción no puede ser conservativa.