TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA: LAS BASES DE LA MECÁNICA

En física la palabra trabajo no tiene el mismo significado que en el lenguaje ordinario. En sentido físico, una fuerza no produce trabajo si no se desplaza. Así, un individuo o un sistema que se limiten a sostener un gran peso, realizarán un gran esfuerzo, pero ello no se traducirá en trabajo alguno.

Sin embargo, cuando una fuerza se traslada, desarrolla un trabajo cuyo valor depende de la magnitud de la fuerza, del espacio que recorre y de la dirección de la fuerza respecto del camino recorrido. En efecto, si tratamos de arrastrar un cuerpo venciendo el rozamiento, cuando la fuerza empleada se orienta en la misma dirección y el mismo sentido del camino, toda ella se emplea en producir trabajo. Es decir, toda ella es útil. Pero si la dirección de la fuerza es distinta de la del camino recorrido, la fuerza puede descomponerse en dos: una perpendicular al camino, y otra de la misma dirección que él. La primera no produce trabajo alguno, ya que resulta neutralizada por el peso del cuerpo. La que realmente desarrolla trabajo es la que se orienta en la dirección del camino, por eso se llama fuerza útil.

Para que exista trabajo, se precisa que exista una fuerza, y que esa fuerza se traslade. El trabajo desarrollado depende del módulo de la fuerza, de la longitud que se desplaza, y del ángulo que forma la dirección de la fuerza con el camino recorrido. El trabajo desarrollado por una fuerza constante que recorre un camino rectilíneo, es el producto de la fuerza por el espacio que recorre, y por el coseno del ángulo que forma la dirección de la fuerza con la dirección del camino. Representando el trabajo por W, y el camino recorrido por S:

W = F.S.cos a

Si la fuerza tiene la misma dirección del camino, el ángulo a, valdrá cero, y el coseno de a, valdrá 1. Por lo tanto, en ese caso:

W = F.S

El trabajo producido por una fuerza constante que tiene la misma dirección del camino recorrido, es igual al producto de la fuerza por el espacio que recorre.

En cuanto a la potencia, la definiremos como una magnitud que representa la relación entre el trabajo desarrollado y el tiempo invertido en desarrollarlo. Dos individuos o sistemas físicos pueden hacer el mismo trabajo, pero si uno de ellos tarda la mitad de tiempo que otro, decimos que tiene doble potencia que él. Representando por P la potencia y por W el trabajo, tendremos:

P = W/t

En general, se llama energía a toda causa capaz de desarrollar un trabajo. Así, el viento es capaz de mover un barco y por eso posee energía. El agua contenida en un estanque elevado es capaz de mover una turbina al caer, y por tanto también posee energía. Existen tantas formas de energía, como formas hay de producir trabajo: mecánica, calorífica, eléctrica… Ciñéndonos a la energía mecánica, la dividimos en dos clases principales: energía potencial y energía cinética.

Energía potencial es la que tienen los cuerpos por causa de su forma, de su masa, de su composición química, y sobre todo, por causa del lugar que ocupan en el espacio respecto de otros cuerpos. Este último caso se conoce también en mecánica, como energía de posición. Así, los cuerpos situados en el campo gravitatorio a una altura h, poseen una energía potencial que es fácil de calcular, ya que deberá ser equivalente al trabajo que desarrollan al caer por el tiempo que tardan en hacerlo (potencia). Dicho trabajo será igual a la potencia expresada en términos de masa por gravedad Mg, por la altura, h:

Ep = Mg.h

Energía cinética es la energía debida al movimiento, es decir, la energía que tienen los cuerpos en movimiento por causa de la velocidad a la que se mueven. El valor de la energía cinética que posee un cuerpo de masa M que se mueve a una velocidad v, es:

Ec = ½ M.v²

Pero los cuerpos en movimiento pueden sumar varios tipos de energía. Por ejemplo, un martillo que se mueve, posee además de la energía cinética debida al movimiento, la energía potencial debida a la posición que ocupa, y a su propia masa. Lo que nos lleva una vez más a la bellísima solución final de Albert Einstein que como bien sabéis desde el post que dedicamos a la teoría especial de la relatividad, aquí no nos cansamos de alabar:

E = mc²

Aquí queda impresa otra vez para que volváis a contemplarla y apreciarla en todo su valor. Por mi parte, no añadiré ni una sola palabra.

¿No es usted la señorita Smith, hija del famoso multimillonario? ¿No? Perdone, por un momento pensé que me había enamorado.  Groucho Marx.