Trabajo en física

¿Qué es el trabajo en física?

Se mide en las mismas unidades que la energía: Julios (\(\mathrm{J}\)) o Newton-metro (\(\mathrm{Nm}\)). Cuando se realiza un trabajo sobre un objeto, se transfiere energía. Por eso, el trabajo realizado es siempre igual a la cantidad de transferencia de energía que tiene lugar durante el proceso.

Fórmula del trabajo en física

El trabajo realizado al mover un objeto una distancia \(s\), aplicando una fuerza \(F\), viene dado por la ecuación:

\[W=F\cdot s\]

Fig. 1: Trabajo realizado al empujar un objeto.

Hablamos de \(1\,\,\mathrm{J}\) de trabajo cuando una fuerza de \(1\,\,\mathrm{N}\) desplaza un objeto \(1\,\,\mathrm{m}\). Pero, hay que tener en cuenta que esta ecuación solo es válida si la fuerza externa que se aplica es constante. Para que se realice un trabajo, tiene que haber un cambio en la posición de un objeto; es decir, un desplazamiento.

En consecuencia, sostener un objeto en contra de la gravedad no se considera como trabajo. La razón es que (en esos casos) no hay transferencia de energía, ya que el objeto no se está moviendo ninguna distancia. Precisamente por eso, en el ejemplo que hemos dado al principio del artículo, decimos que la persona que empuja la pared no hace ningún trabajo físico.

Apliquemos estos conceptos a los siguientes ejemplos y ejercicios.

Ejemplos de trabajo en física

Pese a que podemos encontrar una infinidad de diferentes situaciones donde realizamos un trabajo, vamos a ver algunos de los casos más comunes:

Trabajo realizado al levantar un objeto

El trabajo realizado al levantar un objeto se convierte en energía potencial gravitatoria. Esta energía se denomina potencial, porque el objeto caerá al suelo si se le quita el soporte y la energía se convertirá en cinética. En este caso, el desplazamiento se mide como la altura.

El trabajo realizado al levantar un objeto viene dado por: \[W=m\cdot h\cdot g,\]

Donde:

• \(m\) es la masa del objeto.
• \(h\) es la altura a la que este se levanta.
• \(g\) es la gravedad, que tiene un valor de \(g=9,81\,\,\mathrm{m/s^2}\) aproximadamente.

Trabajo de fuerza de fricción

El trabajo se realiza para vencer las fuerzas de fricción, que impiden que un objeto se mueva.

Es posible que hayas visto cómo se puede encender fuego frotando dos palos de madera. Este es un ejemplo de conversión de energía cinética en energía térmica: el trabajo que haces al frotar los palos se convierte en calor, debido a la fricción.

La fricción también puede deberse a la resistencia del aire cuando se desplaza a gran velocidad. Por eso, los satélites que vuelven a entrar en la atmósfera terrestre se calientan, debido a la fricción que se produce por la resistencia del aire. A su vez, el potencial gravitatorio del satélite que cae se convierte rápidamente en energía térmica.

Sigamos aplicando lo aprendido:

Trabajo y potencia

Ahora que entendemos bien lo que es el trabajo, podemos pasar a definir la potencia.

Siempre que el estado de un sistema cambia, se transfiere energía de un estado a otro. La energía puede transferirse mediante los siguientes tipos de transferencias:

• Transferencia de energía mecánica: un dardo que golpea una tabla pierde su energía cinética y la convierte en energía sonora y térmica.

• Transferencia de energía eléctrica: los circuitos eléctricos de las casas.

• Transferencia de energía térmica: centrales térmicas.

• Transferencia de energía radiante: las luces que funcionan con energía solar.

La potencia cuantifica el ritmo de transferencia de estas energías de una forma a otra. La potencia depende de la cantidad de energía que se transfiere -es decir, del trabajo realizado- y del tiempo que se tarda en completar la transferencia de energía.

\[ P=\dfrac{W}{T}\].

Aquí: \(W\) es el trabajo realizado y \(T\) es el tiempo en segundos.

Una potencia de \(1\,\,\mathrm{W}\) significa una transferencia de energía de \(1\,\,\mathrm{J}\) en \(1\,\,\mathrm{s}\). La potencia también se mide en kilovatios (\(10^3\,\,\mathrm{vatios}\)) y megavatios (\(10^6\,\,\mathrm{vatios}\)).

Un aparato con una potencia de \(20\,\,\mathrm{W}\) expulsa \(20\,\,\mathrm{J}\) de energía en un segundo. Cuanto mayor sea la magnitud de la potencia, mayor será la tasa de transferencia de energía. Una bombilla de \(60\,\,\mathrm{W}\), por ejemplo, gasta \(60\,\,\mathrm{J}\) de energía por segundo.

A su vez, una gran cantidad de potencia significa que se desarrolla una gran cantidad de trabajo o energía en un corto periodo de tiempo. Por ejemplo, cuando un coche potente acelera rápidamente, realiza una gran cantidad de trabajo y consume una gran cantidad de combustible en poco tiempo.