principios físicos del trabajo y la energía en la ingeniería
Guadalupe Alejandra Duarte Silva
TRABAJO y energia
ENERGÍA (Ek/ep)
TRABAJO (W)
También conocida como energía mecánica, es la capacidad de un sistema para realizar trabajo, se puede clasificar en diferentes formas, como la energía cinética (asociada al movimiento) y la energía potencial (asociada a la posición o configuración de un objeto).
Se define como la cantidad de energía transferida cuando una fuerza actúa sobre un objeto y lo desplaza a través de una distancia en la dirección de la fuerza.
Para calcular la energía cinética Ek de un objeto en movimiento, se utiliza la fórmula:
Ek=12mv2Ek=21mv2
Donde:
• Ek es la energía cinética • m es la masa del objeto • v es la velocidad del objeto.
Se calcula mediante la fórmula:
W=F⋅d⋅cos(θ)W=F⋅d⋅cos(θ)
Donde:
• W es el trabajo realizado • F es la magnitud de la fuerza aplicada • d es la distancia recorrida • θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y la dirección del desplazamiento.
Para la energía potencial gravitatoria Ep asociada a la altura de un objeto sobre la superficie terrestre, se utiliza la fórmula:
Ep=m⋅g⋅hEp=m⋅g⋅h
Donde:
• Ep es la energía potencial gravitatoria • m es la masa del objeto • g es la aceleración debida a la gravedad • h es la altura del objeto sobre la superficie terrestre.
EJERCICIO EJEMPLO
UNIDADES DE MEDIDA
Las unidades de medida de las magnitudes físicas relacionadas con el trabajo y la energía son las siguientes:
1. Trabajo (W)
5. Masa (m)
2. Energía cinética (Ek) y energía potencial (Ep)
6. Velocidad (v)
3. Fuerza
7. Ángulo (θ)
4. Distancia (d) y altura (h)
- Frenado de un automóvil: Cuando un automóvil frena, la energía cinética del vehículo se convierte en energía térmica debido a la fricción de los frenos. El trabajo realizado por los frenos se traduce en una disminución de la energía cinética del automóvil.
- Generación de energía eléctrica: En una central hidroeléctrica, el agua en movimiento realiza trabajo sobre las turbinas, convirtiendo la energía cinética del agua en energía mecánica. Esta energía mecánica se transforma luego en energía eléctrica a través de un generador.
aplicación en la vida cotidiana o la industria
Teorema del Trabajo y la Energía
Este teorema establece que el trabajo realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética. En otras palabras, el trabajo realizado sobre un objeto se convierte en un cambio en su energía cinética.
Matemáticamente se expresa de la siguiente manera:
W=ΔEk Donde:
• W es el trabajo realizado sobre el objeto,
• ΔEk es el cambio en la energía cinética del objeto.
IMPULSO Y MOMENTO LINEAL
El impulso y la cantidad de movimiento están relacionados a través de la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza neta aplicada a un objeto es igual a la tasa de cambio de su cantidad de movimiento. Fuerza neta = Cambio en la cantidad de movimiento / Cambio en el tiempo.
FÓRMULAS
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
EJEMPLOS
EJERCICIO EJEMPLO
DIFERENCIAS DE SOLIDOS Y FLUIDOS
EJERCICIO EJEMPLO
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
CÁLCULOS
APLICACIÓN EN EL ESTUDIO DE FLUIDOS
Comparar fuerza de flotación con el peso
Fuerza de flotación
Volumen del fluido desplazado
Peso del fluido desplazado
EJEMPLO INDUSTRIAL
EJERCICIO EJEMPLO
Ecuación de bernoulli
Herramienta fundamental en la mecánica de fluidos y se aplica de diversas formas al estudio de fluidos en movimiento, como en tuberías o ríos.
Describe el comportamiento de un fluido en un flujo constante e ideal. Establece una relación entre la presión, la energía cinética y la energía potencial de un fluido en un flujo constante.
Flujo en tuberías
P+1/2ρV2+ρgh= P+1/2ρV2+ρgh
Donde:
• P es la presión del fluido en un punto dado • ρ es la densidad del fluido • V es la velocidad del fluido en ese punto • g es la aceleración debida a la gravedad • h es la altura del fluido sobre un punto de referencia
Flujo en ríos
Los fluidos en movimiento pueden tener un impacto significativo en los elementos de máquinas y dispositivos, especialmente en aquellos que trabajan con fluidos de manera directa.
Erosión y desgaste Arrastre yresistencia Transferencia de calor
En la ecuación de Bernoulli, los términos 1/2ρV2: Este término representa la energía cinética por unidad de volumen del fluido en movimiento.
Ejemplo de la aplicación de los principios de los fluidos en movimiento en la vida cotidiana y la ingeniería.
EJERCICIO EJEMPLO
BIBLIOGRAFÍA
- IELOGIS. (21 de 07 de 023). Obtenido de La ecuación de Bernoulli: fundamentos y aplicaciones: https://ielogis.com/ecuacion-bernoulli/#:~:text=La%20ecuaci%C3%B3n%20de%20Bernoulli%20nos,un%20barco%20en%20el%20agua.
- Khan Academy. (s.f.). Obtenido de Unidad 5: Trabajo y energía: https://es.khanacademy.org/science/physics/work-and-energy/work-and-energy-tutorial/a/what-is-work
- Khan Academy. (s.f.). Obtenido de Repaso del teorema del trabajo y la energía: https://es.khanacademy.org/science/ap-physics-1/ap-work-and-energy/work-energy-theorem-ap/a/work-energy-theorem-ap1#:~:text=El%20teorema%20del%20trabajo%20y%20la%20energ%C3%ADa%20establece%20que%20el,cambio%20en%20su%20energ%C3%ADa%20cin%C3%A9tica.
- Khan Academy. (s.f.). Obtenido de ¿Qué son el momento y el impulso?: https://es.khanacademy.org/science/physics/linear-momentum/momentum-tutorial/a/what-are-momentum-and-impulse
- SC.EHU. (s.f.). Obtenido de Principio de Arquímedes: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/fluidos/estatica/arquimedes/arquimedes.htm
- UniversidadUPAV. (s.f.). Obtenido de DIFERENCIA ENTRE FLUIDOS Y SÓLIDOS: http://www.universidadupav.edu.mx/documentos/BachilleratoVirtual/Contenidos_PE_UPAV/4Trimestre/FIS%202/Unidad1/tema2.pdf
1. Impulso en el deporte: En deportes como el fútbol, cuando un jugador golpea el balón con el pie, aplica una fuerza durante un tiempo determinado, lo que genera un impulso sobre el balón. Este impulso cambia la cantidad de movimiento del balón y determina su trayectoria y velocidad.2. Momento en la mecánica automotriz: En un accidente de tráfico, el principio de conservación del momento es fundamental. Si dos vehículos chocan, la cantidad total de momento antes del impacto debe ser igual a la cantidad total de momento después del impacto.
Impulso:
Impulso (J) = Fuerza neta (F) * Tiempo (Δt)
Donde:
• J es el impulso en Newton-segundo (N•s)
• F es la fuerza neta en Newton (N)
• Δt es el tiempo en segundos (s)
Cantidad de movimiento: Cantidad de movimiento (p) = Masa (m) * Velocidad (v)
Donde:
• p es la cantidad de movimiento en kilogramo-metro por segundo (kg•m/s)
• m es la masa en kilogramos (kg)
• v es la velocidad en metros por segundo (m/s)
El impulso y la cantidad de movimiento están relacionados con la conservación de la energía a través de la ley de conservación del momento lineal. Esta ley establece que, en un sistema aislado donde no actúan fuerzas externas, la cantidad total de momento lineal se conserva antes y después de una interacción entre objetos.
Establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo.
En el caso de un flujo de fluido en una tubería, la ecuación de Bernoulli se puede utilizar para analizar la relación entre la presión, la velocidad y la altura del fluido en diferentes secciones de la tubería.
Permite analizar cómo la presión, la velocidad y la altura del agua varían a lo largo del río, lo que es útil para comprender la dinámica del flujo, la erosión de las orillas y la energía cinética del agua.
: El flujo de fluidos a alta velocidad puede causar erosión y desgaste en las superficies de los elementos de máquinas, como tuberías, válvulas y turbinas.
El flujo de fluidos puede generar arrastre y resistencia en los elementos de máquinas, lo que puede afectar la eficiencia y el rendimiento de los dispositivos.
En dispositivos que involucran transferencia de calor, como intercambiadores de calor, calderas o refrigeradores, el flujo de fluidos es crucial para la eficiencia del intercambio térmico.
Diseño de aerodinámica de automóviles: En la industria automotriz, se aplican los principios de fluidos en movimiento para diseñar automóviles con una aerodinámica eficiente. La forma del vehículo, incluyendo el diseño de la carrocería y los alerones, se optimiza para reducir la resistencia del aire y mejorar la eficiencia del combustible.
Trabajo, energía, impulso y momento.
Alejandra Duarte
Created on October 9, 2024
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principios físicos del trabajo y la energía en la ingeniería
Guadalupe Alejandra Duarte Silva
TRABAJO y energia
ENERGÍA (Ek/ep)
TRABAJO (W)
También conocida como energía mecánica, es la capacidad de un sistema para realizar trabajo, se puede clasificar en diferentes formas, como la energía cinética (asociada al movimiento) y la energía potencial (asociada a la posición o configuración de un objeto).
Se define como la cantidad de energía transferida cuando una fuerza actúa sobre un objeto y lo desplaza a través de una distancia en la dirección de la fuerza.
Para calcular la energía cinética Ek de un objeto en movimiento, se utiliza la fórmula: Ek=12mv2Ek=21mv2 Donde: • Ek es la energía cinética • m es la masa del objeto • v es la velocidad del objeto.
Se calcula mediante la fórmula: W=F⋅d⋅cos(θ)W=F⋅d⋅cos(θ) Donde: • W es el trabajo realizado • F es la magnitud de la fuerza aplicada • d es la distancia recorrida • θ es el ángulo entre la dirección de la fuerza y la dirección del desplazamiento.
Para la energía potencial gravitatoria Ep asociada a la altura de un objeto sobre la superficie terrestre, se utiliza la fórmula: Ep=m⋅g⋅hEp=m⋅g⋅h Donde: • Ep es la energía potencial gravitatoria • m es la masa del objeto • g es la aceleración debida a la gravedad • h es la altura del objeto sobre la superficie terrestre.
EJERCICIO EJEMPLO
UNIDADES DE MEDIDA
Las unidades de medida de las magnitudes físicas relacionadas con el trabajo y la energía son las siguientes:
1. Trabajo (W)
5. Masa (m)
2. Energía cinética (Ek) y energía potencial (Ep)
6. Velocidad (v)
3. Fuerza
7. Ángulo (θ)
4. Distancia (d) y altura (h)
aplicación en la vida cotidiana o la industria
Teorema del Trabajo y la Energía
Este teorema establece que el trabajo realizado sobre un objeto es igual al cambio en su energía cinética. En otras palabras, el trabajo realizado sobre un objeto se convierte en un cambio en su energía cinética. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: W=ΔEk Donde: • W es el trabajo realizado sobre el objeto, • ΔEk es el cambio en la energía cinética del objeto.
IMPULSO Y MOMENTO LINEAL
El impulso y la cantidad de movimiento están relacionados a través de la segunda ley de Newton, que establece que la fuerza neta aplicada a un objeto es igual a la tasa de cambio de su cantidad de movimiento. Fuerza neta = Cambio en la cantidad de movimiento / Cambio en el tiempo.
FÓRMULAS
CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA
EJEMPLOS
EJERCICIO EJEMPLO
DIFERENCIAS DE SOLIDOS Y FLUIDOS
EJERCICIO EJEMPLO
PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES
CÁLCULOS
APLICACIÓN EN EL ESTUDIO DE FLUIDOS
Comparar fuerza de flotación con el peso
Fuerza de flotación
Volumen del fluido desplazado
Peso del fluido desplazado
EJEMPLO INDUSTRIAL
EJERCICIO EJEMPLO
Ecuación de bernoulli
Herramienta fundamental en la mecánica de fluidos y se aplica de diversas formas al estudio de fluidos en movimiento, como en tuberías o ríos.
Describe el comportamiento de un fluido en un flujo constante e ideal. Establece una relación entre la presión, la energía cinética y la energía potencial de un fluido en un flujo constante.
Flujo en tuberías
P+1/2ρV2+ρgh= P+1/2ρV2+ρgh Donde: • P es la presión del fluido en un punto dado • ρ es la densidad del fluido • V es la velocidad del fluido en ese punto • g es la aceleración debida a la gravedad • h es la altura del fluido sobre un punto de referencia
Flujo en ríos
Los fluidos en movimiento pueden tener un impacto significativo en los elementos de máquinas y dispositivos, especialmente en aquellos que trabajan con fluidos de manera directa.
Erosión y desgaste Arrastre yresistencia Transferencia de calor
En la ecuación de Bernoulli, los términos 1/2ρV2: Este término representa la energía cinética por unidad de volumen del fluido en movimiento.
Ejemplo de la aplicación de los principios de los fluidos en movimiento en la vida cotidiana y la ingeniería.
EJERCICIO EJEMPLO
BIBLIOGRAFÍA
1. Impulso en el deporte: En deportes como el fútbol, cuando un jugador golpea el balón con el pie, aplica una fuerza durante un tiempo determinado, lo que genera un impulso sobre el balón. Este impulso cambia la cantidad de movimiento del balón y determina su trayectoria y velocidad.2. Momento en la mecánica automotriz: En un accidente de tráfico, el principio de conservación del momento es fundamental. Si dos vehículos chocan, la cantidad total de momento antes del impacto debe ser igual a la cantidad total de momento después del impacto.
Impulso: Impulso (J) = Fuerza neta (F) * Tiempo (Δt) Donde: • J es el impulso en Newton-segundo (N•s) • F es la fuerza neta en Newton (N) • Δt es el tiempo en segundos (s) Cantidad de movimiento: Cantidad de movimiento (p) = Masa (m) * Velocidad (v) Donde: • p es la cantidad de movimiento en kilogramo-metro por segundo (kg•m/s) • m es la masa en kilogramos (kg) • v es la velocidad en metros por segundo (m/s)
El impulso y la cantidad de movimiento están relacionados con la conservación de la energía a través de la ley de conservación del momento lineal. Esta ley establece que, en un sistema aislado donde no actúan fuerzas externas, la cantidad total de momento lineal se conserva antes y después de una interacción entre objetos.
Establece que un cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza hacia arriba igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo.
En el caso de un flujo de fluido en una tubería, la ecuación de Bernoulli se puede utilizar para analizar la relación entre la presión, la velocidad y la altura del fluido en diferentes secciones de la tubería.
Permite analizar cómo la presión, la velocidad y la altura del agua varían a lo largo del río, lo que es útil para comprender la dinámica del flujo, la erosión de las orillas y la energía cinética del agua.
: El flujo de fluidos a alta velocidad puede causar erosión y desgaste en las superficies de los elementos de máquinas, como tuberías, válvulas y turbinas.
El flujo de fluidos puede generar arrastre y resistencia en los elementos de máquinas, lo que puede afectar la eficiencia y el rendimiento de los dispositivos.
En dispositivos que involucran transferencia de calor, como intercambiadores de calor, calderas o refrigeradores, el flujo de fluidos es crucial para la eficiencia del intercambio térmico.
Diseño de aerodinámica de automóviles: En la industria automotriz, se aplican los principios de fluidos en movimiento para diseñar automóviles con una aerodinámica eficiente. La forma del vehículo, incluyendo el diseño de la carrocería y los alerones, se optimiza para reducir la resistencia del aire y mejorar la eficiencia del combustible.