Desentrañar la ecuación trabajo-energía: Significado en profundidad
En el campo de la ingeniería, y en particular de la ingeniería mecánica, la ecuación trabajo-energía constituye el quid de muchos conceptos y cálculos críticos. Aquí profundizarás en la comprensión y descodificación de los intrincados aspectos de esta fascinante ecuación.Definición del concepto: ¿Qué es la ecuación trabajo-energía?
La ecuación trabajo-energía se refiere al principio de transferencia de trabajo y energía. Este principio establece que el trabajo realizado sobre una partícula por la fuerza neta que actúa sobre ella es igual al cambio en su energía cinética.
Si consideras que un objeto se eleva verticalmente desde el suelo, el trabajo realizado para elevar el objeto (contra la gravedad) será igual a la energía potencial que gana el objeto. Éste es un ejemplo clásico de la ecuación trabajo-energía en acción.
Descifrando el significado en profundidad de la ecuación trabajo-energía
Para descifrar el significado en profundidad de la ecuación trabajo-energía, entendamos primero el término "trabajo". Básicamente es el producto de la fuerza y el desplazamiento. Se realiza trabajo cuando se aplica fuerza a un objeto, y ese objeto se desplaza como resultado de esta fuerza aplicada. Por otro lado, "energía" se refiere a la capacidad de un cuerpo para realizar trabajo. La energía cinética es la energía que posee un cuerpo debido a su movimiento. El teorema trabajo-energía es un principio de la física: el trabajo neto realizado por las fuerzas que actúan sobre una partícula es igual al cambio en la energía cinética de la partícula.| Fuerza (F) | Distancia (dx) | Energía cinética inicial (\(K.E_i\)) | Energía cinética final (\(K.E_f\)) |
| Empuje o tracción | Cambio de posición | Energía antes de aplicar la fuerza | Energía después de aplicar la fuerza |
La energía tiene múltiples formas, pero en el contexto de la ecuación trabajo-energía, nos centramos principalmente en la energía cinética. Sin embargo, es interesante observar que este principio constituye la base del concepto más amplio de conservación de la energía.
Examinando ejemplos de ecuación trabajo-energía
Para comprender realmente la ecuación trabajo-energía en ingeniería, es muy beneficioso explorar algunos ejemplos. Estos ejemplos, tanto de aplicaciones de la vida real como de escenarios simplificados, pueden hacer que el concepto sea más tangible y fácil de comprender.Análisis detallado de ejemplos reales de la ecuación trabajo-energía
Vamos a realizar un análisis detallado de algunos ejemplos reales de ecuación trabajo-energía. Este análisis será exhaustivo, lo que facilitará a los lectores la comprensión de los intrincados detalles relacionados con el concepto de ecuación trabajo-energía. Uno de los ejemplos más canónicos en los que entra en juego la ecuación trabajo-energía es el escenario de subir una colina en bicicleta. Supongamos que el ciclista pedalea en terreno llano para adquirir cierta velocidad, que se convierte en energía cinética. Cuando el ciclista empieza a subir la colina, esta energía cinética se convierte gradualmente en energía potencial. Desglosemos este ejemplo: Considera: - La fuerza ejercida por el ciclista es \(F\) - La distancia recorrida colina arriba es \(d\) - La velocidad inicial del ciclista es \(v_i\) - La velocidad final en la cima de la colina es \(v_f\) La energía cinética al principio y al final se calcula mediante \(K.E = \frac{1}{2} m v^2\), donde \(m\) es la masa del ciclista. El trabajo realizado por el ciclista para subir la cuesta, contra la fuerza de la gravedad, es \(W = mgh\), donde \(h\) es la altura vertical de la cuesta. Según la ecuación trabajo-energía, el trabajo realizado al pedalear cuesta arriba equivale al cambio de energía cinética. Así pues, \[\int F dx = \frac{1}{2} m v_f^2 - \frac{1}{2} m v_i^2 \].Como puedes ver, los ejemplos de la vida real ayudan a visualizar la ecuación trabajo-energía, facilitando la comprensión de cómo el trabajo se traduce en distintas formas de energía.
Desglosando conceptos complejos con ejemplos simplificados de la ecuación trabajo-energía
Los ejemplos simplificados son otra forma de dilucidar los complejos conceptos que encierra la ecuación trabajo-energía. Estas situaciones abstractas a menudo facilitan la comprensión de los detalles más sutiles de este concepto. Consideremos: - La fuerza aplicada al bloque es \(F\) - El desplazamiento del bloque es \(s\) - El coeficiente de rozamiento entre el bloque y la superficie es \(\mu\) - Las energías cinéticas inicial y final del bloque se representan como \(K.E_i\) y \(K. E_f\) respectivamente.E_f\) respectivamente Cuando el bloque es empujado, experimenta una fuerza de fricción opuesta \(F_{fricción} = \mu mg\), donde \(m\) es la masa del bloque, y \(g\) es la aceleración debida a la gravedad. Siguiendo la ecuación trabajo-energía, sabemos que: \[ \int F ds = K.E_f - K.E_i \] El trabajo realizado contra la fricción provoca una disminución de la energía cinética del bloque. En consecuencia, el bloque acaba por detenerse. Para resumir las conclusiones clave de nuestros ejemplos simplificados de ecuación trabajo-energía:| Fuerza aplicada (F) | Desplazamiento (s) | Energía cinética inicial (\(K.E_i\)) | Energía cinética final (\(K.E_f\)) | Fuerza de fricción (\(F_{fricción}\)) |
| Fuerza ejercida sobre el bloque | Cambio de posición del bloque | Energía del bloque antes de aplicar la fuerza | Energía del bloque después de aplicar la fuerza | Fuerza opuesta a la aplicada |
Comprensión práctica de las aplicaciones de la ecuación trabajo-energía
La ecuación trabajo-energía no se limita a los libros de texto, sino que impregna diversas aplicaciones prácticas en toda una serie de campos. Engarza fundamentalmente los principios de la ingeniería mecánica, la física y los fenómenos cotidianos, lo que la convierte en una herramienta indispensable en el ámbito de las ciencias aplicadas.Desvelando los diversos campos que utilizan las aplicaciones de la ecuación trabajo-energía
Desde la gestión de sistemas industriales hasta la comprensión del mundo de la física, la ecuación trabajo-energía encuentra innumerables aplicaciones en toda una serie de campos. FísicaEn física, la ecuación trabajo-energía constituye la columna vertebral de la comprensión de los fenómenos de transferencia de energía. Derivado de la segunda ley del movimiento de Newton, el teorema trabajo-energía proporciona una forma eficaz de analizar el movimiento sin considerar explícitamente los efectos de las fuerzas individuales. Por ejemplo, al estudiar el movimiento de partículas bajo la influencia de fuerzas, el análisis de la energía de trabajo puede simplificar los cálculos y proporcionar comprensiones no afectadas por las direcciones de las fuerzas. Un problema común de física consiste en determinar la velocidad de un vagón de montaña rusa en su punto más bajo si parte del reposo en la parte superior de una pista. El teorema trabajo-energía puede utilizarse para calcularlo teniendo en cuenta la energía potencial gravitatoria y la energía cinética en las distintas etapas. IngenieríaLos ingenieros mecánicos y civiles utilizan habitualmente la ecuación trabajo-energía en el diseño y funcionamiento de sistemas. Ayuda a comprender y predecir cómo responden los sistemas mecánicos a diversas fuerzas. Por ejemplo, al diseñar el sistema de frenado de un vehículo o determinar los requisitos energéticos de una grúa elevadora, resulta crucial comprender el trabajo y la energía. Además, la ecuación trabajo-energía se utiliza en el análisis de estructuras. Los ingenieros civiles aplican el principio para evaluar fuerzas y deformaciones en edificios y puentes, y a menudo utilizan métodos numéricos para resolver problemas de trabajo-energía. Los campos se extienden más allá del ámbito de la física y la ingeniería. Incluso en situaciones cotidianas como empujar un coche, lanzar una pelota o meter objetos en una mochila, la ecuación trabajo-energía está implícitamente en juego.Explorando el impacto de la ecuación trabajo-energía en aplicaciones de ingeniería
Los principios que encierra la ecuación trabajo-energía tienen un impacto significativo en diversas facetas de la ingeniería, que van desde el diseño de sistemas hasta la optimización del rendimiento. Desempeña un papel fundamental en los sistemas de ingeniería mecánica: vehículos, máquinas e incluso plantas industriales enteras. En la industria del automóvil, por ejemplo, los sistemas de frenado se basan en la ecuación trabajo-energía. Los ingenieros calibran los frenos basándose en la necesidad de convertir la energía cinética de un vehículo en movimiento en energía calorífica. Esta conversión es esencial para que el vehículo pase de un estado de movimiento a otro de reposo. Comprender la ecuación trabajo-energía también permite a los ingenieros idear diseños más eficientes que minimicen las pérdidas de energía durante esta conversión. Consideremos: Sea \(v\) la velocidad del vehículo, \(m\) su masa, \(d\) la distancia de frenado, y \(µ\) el coeficiente de fricción entre los neumáticos y la carretera. Según el principio de trabajo-energía, el trabajo realizado por los frenos, que es la fuerza de rozamiento multiplicada por la distancia de frenado, es igual a la energía cinética inicial del vehículo. Así pues, \[µ mgd = \frac{1}{2} m v^2\] Esta ecuación puede reordenarse para resolver la distancia de frenado en función de la velocidad, \[d = \frac{v^2}{2µg}\] Esta ecuación implica que para un coeficiente de fricción dado, la distancia de frenado aumenta cuadráticamente con la velocidad. Esto fundamenta por qué los vehículos deben circular más despacio en condiciones de humedad o hielo: el coeficiente de rozamiento disminuye, lo que hace necesaria una mayor distancia para detenerse. Del mismo modo, la excogitación de otros sistemas mecánicos -grúas, palancas, poleas, engranajes- está muy influida por los principios del trabajo y la energía. El concepto de trabajo realizado contra la gravedad, la fricción o cualquier otra fuerza encuentra ingeniosas aplicaciones en ingeniería. Así pues, la ingeniería -que es fundamentalmente una búsqueda de soluciones para que nuestra interacción con el mundo físico sea más fácil- se basa profundamente en los principios de la Ecuación Trabajo-Energía.Interacción entre la ecuación trabajo-energía cinética
El nexo de unión entre la ecuación del trabajo y la de la energía cinética forma parte integrante del campo más amplio de la Ingeniería. Ambas ecuaciones proporcionan una lente analítica para explorar diversos fenómenos físicos, representando la matizada relación entre fuerza y movimiento.Redefiniendo los conceptos energéticos: Comprender la ecuación del trabajo y la energía cinética
En el ámbito de la física y la ingeniería, existe una relación fundamental entre el trabajo y la energía cinética, particularmente captada por el teorema trabajo-energía. Es una representación matemática sucinta del principio de conservación de la energía, donde el trabajo neto realizado sobre un objeto equivale al cambio en su energía cinética. Diseccionemos estas ecuaciones:El trabajo, definido como la aplicación de una fuerza sobre una distancia, puede expresarse como \(W = Fd\cos(\theta)\), donde \(F\) es la fuerza aplicada, \(d\) la distancia recorrida, y \(\theta\) el ángulo entre los vectores fuerza y desplazamiento. Ten en cuenta que el trabajo es una cantidad escalar.La energía cinética, la energía de un cuerpo debida a su movimiento, viene dada por \(KE = \frac{1}{2}mv^2\), donde \(m\) es la masa del cuerpo y \(v\) su velocidad. Al igual que el trabajo, la energía cinética es una cantidad escalar. La interconexión entre trabajo y energía cinética se articula elegantemente mediante el Teorema Trabajo-Energía: "Matemáticamente, se representa como \(\Delta KE = W_{net}\), donde \(\Delta KE\) representa el cambio en la energía cinética, y \(W_{net}\) se refiere al trabajo neto realizado sobre el objeto.Teorema Trabajo-Energía: Establece que el trabajo realizado sobre un objeto es igual a la variación de su energía cinética.
¿Qué relación existe entre la ecuación trabajo-energía y la ecuación energía cinética?
La relación entre la ecuación trabajo-energía y la ecuación de la energía cinética es fundamental para las transformaciones de energía en aplicaciones de Ingeniería. Es una inferencia directa derivada del principio de conservación de la energía: la energía existe en numerosas formas y puede intercambiarse entre ellas, permaneciendo constante la energía total de un sistema cerrado. Para comprender esta relación, considera un objeto sobre el que actúan fuerzas externas. La fuerza externa provoca un cambio en la velocidad del objeto, afectando posteriormente a su energía cinética. El trabajo realizado por estas fuerzas corresponde a la fuerza neta multiplicada por la distancia recorrida: un aumento de la energía cinética como consecuencia directa del trabajo realizado sobre el objeto. La relación fundamental entre trabajo y energía cinética puede representarse como \[ W_{net} = \Delta KE = KE_{final} - KE_{inicial} = \frac{1}{2}m(v_f^2 - v_i^2)\} donde, - \(W_{net}\) es el trabajo neto realizado sobre el objeto - \(\Delta KE\) es el cambio en la energía cinética - \(v_f\) y \(v_i\) son las velocidades final e inicial, respectivamente Es fundamental tener en cuenta que el signo de la fórmula depende de la naturaleza del desplazamiento y de la fuerza. Si el trabajo arrastra al objeto en la dirección de su movimiento, el trabajo realizado es positivo, aumentando la energía cinética del cuerpo. Por el contrario, si el trabajo se realiza en dirección contraria a la del movimiento, el trabajo realizado es negativo y disminuye la energía cinética. Por ejemplo, cuando un coche acelera, la fuerza del motor lo desplaza en la dirección del movimiento, lo que se traduce en un trabajo positivo y la consiguiente ganancia de energía cinética. Cuando se aplican los frenos, la fuerza actúa en contra del movimiento del coche, lo que indica trabajo negativo -correlacionado con una pérdida de energía cinética. Por tanto, comprender cómo se vincula la ecuación trabajo-energía con la ecuación energía cinética resulta imprescindible para descifrar las transformaciones de la energía y dirigir un uso eficiente de la misma. La naturaleza cíclica de estas transformaciones energéticas se convierte en la piedra angular para el diseño de motores, el aprovechamiento de las energías renovables, entre otras aplicaciones. Comprender esta interacción ayuda a racionalizar la utilización de la energía en aras de la sostenibilidad y la eficiencia.Derivación de la Ecuación Trabajo-Energía Simplificada: Una guía completa
Profundamente arraigada en los principios de la física y la ingeniería, la ecuación trabajo-energía puede parecer compleja a primera vista. Sin embargo, comprender su derivación puede ofrecer una visión completa de la base misma de numerosas aplicaciones del mundo real y ayudar a descifrar la relación entre trabajo, fuerza y energía.Pasos para derivar con éxito la ecuación trabajo-energía
La ecuación trabajo-energía se deriva de la segunda ley del movimiento de Newton. Vamos a sumergirnos en un accesible recorrido paso a paso de la derivación, desglosando el proceso hasta sus elementos fundamentales, haciéndolo así más manejable y comprensible.Paso 1: Considera una partícula que se mueve a lo largo del eje x bajo la acción de una fuerza \( F \). El trabajo instantáneo \( dW \) realizado por la fuerza \( F \), a medida que la partícula se desplaza una distancia instantánea \( dx \), viene dado por, \[ dW = F dx\]Paso 2: A partir de la segunda ley de Newton, obtenemos la ecuación \( F = ma = m \frac{dv}{dt} \), donde \( a \) es la aceleración y \( v \) es la velocidad. Paso3: Utilizando la diferenciación de la regla de la cadena, \( \frac{dv}{dt} = \frac{dv}{dx} \cdot \frac{dx}{dt} = v \frac{dv}{dx} \), reescribimos la ecuación de la fuerza como \( F = mv \frac{dv}{dx} \). Paso 4: Sustituyendo esta ecuación de fuerza en la ecuación de trabajo derivada en el paso 1, obtenemos \( dW = mv \frac{dv}{dx} dx \), que se simplifica a \( dW = m v dv \). Paso 5: Integrando ambos lados de la ecuación desde los estados inicial a final, obtenemos \[ W = \int_{v_i}^{v_f} m v dv = \frac{1}{2} m {v_f}^2 - \frac{1}{2} m {v_i}^2 \] Este resultado iguala el trabajo realizado sobre el objeto al cambio en su energía cinética, encapsulando la esencia del teorema trabajo-energía.Teorema trabajo-energía: Establece la equivalencia entre el trabajo realizado sobre un objeto y la variación de su energía cinética.
Técnicas prácticas para derivar fácilmente la ecuación trabajo-energía
Desentrañar la ecuación trabajo-energía puede ser desalentador pero gratificante. Aquí tienes técnicas útiles para facilitar su proceso de derivación, convirtiéndolo en un aprendizaje enriquecedor - Simplifica la física con las matemáticas: La física y las matemáticas son dos caras de la misma moneda. Transforma el problema de física en una ecuación matemática, como se muestra en el planteamiento paso a paso anterior. - Descomponlo: La clave para dominar cualquier concepto complejo está en descomponerlo. Concéntrate en comprender cada paso individualmente antes de avanzar al siguiente. - Visualiza: La comprensión de conceptos abstractos puede mejorarse mediante la representación visual. Intenta esbozar diagramas o utilizar gráficos para comprender - Comprende los principios subyacentes: Profundiza en los conocimientos previos. En el caso de la derivación de la ecuación trabajo-energía, se requiere un sólido conocimiento de la segunda ley del movimiento de Newton y del cálculo. - Practica repetidamente: La práctica ayuda a consolidar la comprensión. Explora diferentes variaciones de problemas asociados a la ecuación trabajo-energía. - Enfoque basado en la aplicación: Intenta comprender el significado y la implicación de cada operación matemática. Estas estrategias, junto con el entusiasmo por aprender, pueden hacer que la deducción de la ecuación trabajo-energía sea una experiencia que merezca la pena.Familiarizarse con la ecuación del principio trabajo-energía
La ecuación del principio trabajo-energía es un concepto fundamental de la física y la ingeniería, que proporciona una herramienta indispensable para comprender cómo interactúan el trabajo y la energía. Afirma que el trabajo realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética, proporcionándonos en consecuencia una ecuación que relaciona las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y su movimiento.Arrojando luz sobre la ecuación del principio trabajo-energía
La base del principio trabajo-energía es el teorema trabajo-energía. Esencialmente, el teorema afirma que el trabajo realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética. Este principio desempeña un papel importante en la ingeniería, ya que permite a los ingenieros diseñar y hacer funcionar máquinas eficientes transformando la energía de una forma a otra. Para profundizar en el teorema, es importante entender qué se entiende por "trabajo" y "energía cinética". Eltrabajo se define como el proceso de transferencia de energía en el que una fuerza actúa a lo largo de un desplazamiento. En términos matemáticos, se representa como: \[ W = Fd\cos(\theta) \] donde \( W \) representa el trabajo, \( F \) la magnitud de la fuerza aplicada, \( d \) el desplazamiento recorrido, y \( \theta \) representa el ángulo entre la dirección de la fuerza y el desplazamiento.La energía cinética, por su parte, es la energía que posee un objeto debido a su movimiento. Viene dada por la fórmula: \[ KE = \frac{1}{2} m v^2 \] donde \( KE \) es la energía cinética, \( m \) se refiere a la masa del objeto, y \( v \) representa su velocidad. Con estas definiciones a tu alcance, la comprensión del principio trabajo-energía se hace más asequible. La ecuación del principio trabajo-energía, derivada del teorema, se expresa como: \[ W_{net} = KE_f - KE_i \] Aquí, \( W_{net} \) es el trabajo total realizado, y \( KE_f \) y \( KE_i \) representan las energías cinéticas final e inicial, respectivamente. Naturalmente, más trabajo conlleva más energía cinética y viceversa. Esta interacción entre trabajo y energía cinética encierra el núcleo del principio trabajo-energía.Cómo resolver problemas utilizando la ecuación del principio trabajo-energía
Con el conocimiento de lo que implica la ecuación, es hora de comprender cómo se emplea para resolver problemas en escenarios del mundo real. Aquí tienes los pasos a seguir para resolver problemas relacionados con la ecuación del principio trabajo-energía. Paso 1: Identificar las variables conocidas y desconocidas Empieza por identificar las cantidades conocidas y desconocidas del problema, y anótalas. Paso 2: Analiza la situación A continuación, analiza la situación y determina la dirección del movimiento, las fuerzas implicadas y cualquier cambio en la energía cinética. Paso 3: Aplica la ecuación del principio trabajo-energía Una vez tengas clara la situación, aplica la ecuación del principio trabajo-energía: [ W_{net} = KE_f - KE_i \] Paso 4: Ejecuta las matemáticas Realiza las operaciones matemáticas necesarias para resolver la cantidad desconocida. He aquí un problema ilustrativo para demostrar la aplicación de este principio: Supón que tienes un bloque de 1 kg inicialmente en reposo, y le aplicas una fuerza de 5 N horizontalmente a lo largo de una distancia de 10 m. ¿Cuál es la velocidad final del bloque? En este problema, sabemos: - Velocidad inicial \( v_i = 0 \) m/s (ya que el bloque está inicialmente en reposo) - Masa \( m = 1 \) kg - Fuerza \( F = 5 \) N - Distancia \( d = 10 \) m Utilizando la ecuación del principio trabajo-energía, hallamos: \[ W_{net} = KE_f - KE_i \] Aquí, \( W_{net} = F \cdot d = 5 \cdot 10 = 50 \) J. \( KE_i = \frac{1}{2} m {v_i}^2 = 0 \) (ya que la velocidad inicial es cero). Resolviendo para \( KE_f \), encontramos \( KE_f = 50 \) J. Pero queremos la velocidad final, así que la igualamos a \(\frac{1}{2} m {v_f}^2), lo que nos da \({v_f}^2 = \frac {2 \cdot KE_f} {m}). Por tanto, \( v_f \aproximadamente 10 \) m/s. Este ejemplo demuestra cómo la ecuación del principio trabajo-energía proporciona una herramienta valiosa y práctica para resolver problemas de física e ingeniería, ayudando a descifrar la intrincada danza del trabajo y la energía, desvelando las reglas que rigen nuestro universo.Ecuación trabajo-energía - Puntos clave
- Ecuación trabajo-energía: Según la ecuación trabajo-energía, el trabajo realizado es igual al cambio en la energía cinética. La ecuación suele presentarse como \(\int F dx = \frac{1}{2} m v_f^2 - \frac{1}{2} m v_i^2 \), donde \(F\) significa la fuerza aplicada sobre un objeto, \(dx\) es el desplazamiento, \(m\) es la masa del objeto, y \(v\) es la velocidad.
- Aplicaciones de la ecuación trabajo-energía: La ecuación trabajo-energía tiene aplicaciones prácticas en diversos campos, como la física y la ingeniería. Es fundamental para comprender los fenómenos de transferencia de energía y predecir cómo responden los sistemas mecánicos a diversas fuerzas.
- Ecuación Trabajo-Energía Cinética: Definido por el Teorema Trabajo-Energía, el trabajo neto realizado sobre un objeto equivale al cambio en su energía cinética. Matemáticamente, se representa como \(\Delta KE = W_{net}\), donde \(\Delta KE\) representa el cambio en la energía cinética, y \(W_{net}\) se refiere al trabajo neto realizado sobre el objeto.
- Derivación de la ecuación trabajo-energía: La derivación de la ecuación trabajo-energía se basa en la segunda ley del movimiento de Newton. El detallado proceso de derivación equipara el trabajo realizado sobre un objeto al cambio en su energía cinética, definiendo el Teorema Trabajo-Energía.
- Significado y ejemplos de la ecuación trabajo-energía: El significado de la ecuación trabajo-energía se explica mediante ejemplos simplificados, que sugieren que la fuerza aplicada sobre un objeto provoca un cambio en la energía cinética de dicho objeto. El trabajo realizado contra el rozamiento, por ejemplo, provoca una disminución de la energía cinética del objeto.
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Preguntas frecuentes sobre Ecuación de trabajo y energía
¿Qué es la ecuación de trabajo y energía?
La ecuación de trabajo y energía relaciona el trabajo realizado sobre un objeto con el cambio en su energía cinética.
¿Cómo se aplica la ecuación de trabajo y energía en la ingeniería?
En ingeniería, se usa para calcular la eficiencia de máquinas y sistemas considerando las fuerzas aplicadas y desplazamientos.
¿Qué es el trabajo en física?
El trabajo es el producto de la fuerza aplicada sobre un objeto y la distancia que el objeto se desplaza en la dirección de la fuerza.
¿Qué es la energía cinética?
La energía cinética es la energía que posee un objeto debido a su movimiento y depende de su masa y velocidad.
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