Cómo funcionan la fuerza, la potencia, el par y la energía

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Fuerza, potencia, torsión y energía: ¿qué significan realmente estas palabras? ¿Son intercambiables? © istockphoto.com / AndrewJohnson

Si ha leído muchos artículos, ha visto mucha terminología, palabras como masa, fuerza, esfuerzo de torsión, trabajo, poder y energía. ¿Qué significan realmente estas palabras? ¿Son intercambiables??

En este artículo, ayudaremos a reunir toda esta terminología, daremos algunos ejemplos de cuándo se usa cada uno e incluso intentaremos algunos cálculos a lo largo del camino para aprender a usarlo..

A lo largo de este artículo, nos referiremos a diferentes tipos de unidades. En la mayor parte del mundo, el Sistema Internacional de Unidades (SI - del francés Le Système International d'Unités), también conocido como el sistema métrico, se acepta como el conjunto estándar de unidades. Este sistema contiene la mayoría de las unidades métricas a las que está acostumbrado, como metros y kilogramos, pero también incluye unidades para muchas otras propiedades físicas y de ingeniería. Incluso Estados Unidos ha adoptado oficialmente el sistema SI de unidades, pero Unidades de Ingeniería Inglesas (como libras y pies) todavía se utilizan a diario. Antes de comenzar a explicar estos términos, debemos comenzar con algunos conceptos básicos. Comenzaremos con la masa y avanzaremos hacia la energía..

Generalmente, masa Se define como la medida de la cantidad de materia que contiene un objeto o cuerpo -- el número total de partículas subatómicas (electrones, protones y neutrones) en el objeto. Si multiplicas tu masa por la fuerza de la gravedad de la Tierra, obtienes tu peso. Entonces, si su peso corporal está fluctuando, debido a comer o hacer ejercicio, en realidad es el número de átomos lo que está cambiando..

Es importante comprender que la masa es independiente de su posición en el espacio. La masa de su cuerpo en la Luna es la misma que su masa en la Tierra, porque el número de átomos es el mismo. La atracción gravitacional de la Tierra, por otro lado, disminuye a medida que te alejas de la Tierra. Por lo tanto, puede perder peso cambiando su elevación, pero su masa sigue siendo la misma. También puedes perder peso viviendo en la luna, pero nuevamente, tu masa es la misma.

La masa es importante para calcular qué tan rápido se aceleran las cosas cuando les aplicamos una fuerza. ¿Qué determina qué tan rápido puede acelerar un automóvil? Probablemente sepa que su automóvil acelera más lento si tiene cinco adultos en él que si solo tiene uno. Exploraremos esta relación entre masa, fuerza y ​​aceleración con un poco más de detalle después de hablar sobre la fuerza..

Unidades comunes de misa

SI:

Gramo (g)

   1 g = 0,001 kg

Kilogramo (kilogramo)

   1 kg = 2,2 libras · m

1 kg = 0.0685 babosa

Inglés:

Libra masa (lbm)

   1 libra = 0,4536 kg

Babosa (babosa)

   1 babosa = 14,5939 kg

Un tipo de fuerza que todo el mundo conoce es el peso. Esta es la cantidad de fuerza que la Tierra ejerce sobre ti. Hay dos cosas interesantes sobre esta fuerza:

  • Te empuja hacia abajo, o, más exactamente, hacia el centro de la Tierra..
  • Es proporcional a tu masa. Si tienes más masa, la Tierra ejerce una fuerza mayor sobre ti.

Cuando pisa una báscula de baño, ejerce una fuerza sobre la báscula. La fuerza que aplicas a la báscula comprime un resorte que mueve la aguja. Cuando lanzas una pelota de béisbol, aplicas una fuerza a la pelota, lo que hace que se acelere. El motor de un avión crea una fuerza que empuja al avión a través del aire. Los neumáticos de un automóvil ejercen una fuerza sobre el suelo, lo que empuja al automóvil.

Causas de la fuerza aceleración. Si aplica una fuerza a un carro de juguete (por ejemplo, empujándolo con la mano), comenzará a moverse. Esto puede parecer simple, pero es un hecho muy importante. El movimiento del automóvil se rige por Segunda ley de Isaac Newton, que forma la base de la mecánica clásica. La Segunda Ley de Newton establece que la La aceleración (a) de un objeto es directamente proporcional a la fuerza (F) aplicada e inversamente proporcional a la masa del objeto (m). Es decir, cuanta más fuerza aplique a un objeto, mayor será la tasa de aceleración; y cuanta más masa tenga el objeto, menor será la tasa de aceleración. La segunda ley de Newton generalmente se resume en forma de ecuación:

a = F / m, o F = ma

Para honrar el logro de Newton, la unidad estándar de fuerza en el sistema SI se denominó Newton. Un newton (N) de fuerza es suficiente para acelerar 1 kilogramo (kg) de masa a una velocidad de 1 metro por segundo al cuadrado (m / s2). De hecho, así es como se definen realmente la fuerza y ​​la masa. UNA kilogramo es la cantidad de peso a la que 1 N de fuerza se acelerará a una velocidad de 1 m / s2. En unidades inglesas, un babosa es la cantidad de masa que 1 libra de fuerza acelerará a 1 pie / s2, y un libra masa es la cantidad de masa que 1 lb de fuerza acelerará a 32 pies / s2.

La Tierra ejerce suficiente fuerza para acelerar los objetos que caen a una velocidad de 9,8 m / s.2, o 32 pies / s2. Esta fuerza gravitacional a menudo se denomina gramo en ecuaciones. Si dejas caer algo por un acantilado, por cada segundo que caiga aumentará su velocidad en 9,8 m / s. Entonces, si cae durante cinco segundos, alcanzará una velocidad de 49 m / s. Esta es una tasa de aceleración bastante rápida. Si un automóvil acelerara así de rápido, alcanzaría las 60 millas por hora (97 kph) en menos de tres segundos.!

Unidades comunes de fuerza

SI:

newton (N)

   1 N = 0,225 libras

Inglés:

Libra (lb)

   1 libra = 4,448 N

Por lo general, cuando hablamos de fuerza, hay más de una fuerza involucrada y estas fuerzas se aplican en diferentes direcciones. Veamos un diagrama de un automóvil. Cuando el automóvil está quieto, la gravedad ejerce una fuerza descendente sobre el automóvil (esta fuerza actúa en todas partes del automóvil, pero para simplificar, podemos dibujar la fuerza en el centro de masa del automóvil). Pero el suelo ejerce una fuerza ascendente igual y opuesta sobre los neumáticos, por lo que el automóvil no se mueve..

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Figura 1. Animación de fuerzas en un automóvil.

Cuando el automóvil comienza a acelerar, entran en juego algunas fuerzas nuevas. Las ruedas traseras ejercen una fuerza contra el suelo en dirección horizontal; esto hace que el automóvil comience a acelerar. Cuando el automóvil se mueve lentamente, casi toda la fuerza se destina a acelerar el automóvil. El coche resiste esta aceleración con un fuerza que es igual a su masa multiplicado por su aceleración. Puedes ver en Figura 1 cómo la flecha de fuerza comienza grande porque el automóvil acelera rápidamente al principio. Cuando comienza a moverse, el aire ejerce una fuerza contra el automóvil, que se hace más grande a medida que el automóvil gana velocidad. Esta fuerza de arrastre aerodinámico actúa en la dirección opuesta a la fuerza de los neumáticos, que está impulsando el automóvil, por lo que se resta de esa fuerza, dejando menos fuerza disponible para la aceleración..

Finalmente, el automóvil alcanzará su velocidad máxima, el punto en el que ya no puede acelerar. En este punto, la fuerza motriz es igual a la resistencia aerodinámica y no queda fuerza para acelerar el automóvil..

Esfuerzo de torsión es un fuerza que tiende a rotar o girar cosas. Genera un par cada vez que aplica una fuerza con una llave. Apretar las tuercas de las ruedas es un buen ejemplo. Cuando usa una llave, aplica una fuerza al mango. Esta fuerza crea un par en la tuerca, que tiende a girar la tuerca..

Las unidades inglesas de torque son libras-pulgadas o libras-pie; la unidad SI es el Newton-metro. Observe que las unidades de torque contienen una distancia y una fuerza. Para calcular el par, simplemente multiplique la fuerza por la distancia desde el centro. En el caso de las tuercas, si la llave tiene un pie de largo y le aplicas 200 libras de fuerza, estás generando 200 libras-pie de torque. Si usa una llave de 2 pies, solo necesita aplicar 100 libras de fuerza para generar el mismo torque.

El motor de un automóvil genera torque y lo usa para hacer girar el cigüeñal. Este par se crea exactamente de la misma manera: se aplica una fuerza a distancia. Echemos un vistazo de cerca a algunas de las partes del motor:

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Figura 2. Cómo se genera el par en un cilindro de un motor de cuatro tiempos

La combustión de gas en el cilindro crea presión contra el pistón. Esa presión crea una fuerza en el pistón, que lo empuja hacia abajo. La fuerza se transmite desde el pistón a la biela y desde la biela al cigüeñal. En Figura 2, observe que el punto donde la biela se une al eje del cigüeñal está a cierta distancia del centro del eje. La distancia horizontal cambia a medida que gira el cigüeñal, por lo que el par también cambia, ya que esfuerzo de torsión es igual a fuerza multiplicado por distancia.

Quizás se pregunte por qué solo la distancia horizontal es importante para determinar el par en este motor. Puede ver en la Figura 2 que cuando el pistón está en la parte superior de su carrera, la biela apunta hacia abajo en el centro del cigüeñal. No se genera par en esta posición, porque solo la fuerza que actúa sobre la palanca en una dirección perpendicular a la palanca genera un par.

Si alguna vez ha intentado aflojar tuercas muy apretadas en su automóvil, sabe que una buena manera de aplicar mucho torque es colocar la llave en posición horizontal y luego pararse en el extremo de la llave, de esta manera está aplicando todo su peso a una distancia igual a la longitud de la llave. Si colocara la llave con el mango apuntando hacia arriba y luego se parara en la parte superior del mango (suponiendo que pudiera mantener el equilibrio), no tendría ninguna posibilidad de aflojar la tuerca. También podría pararse directamente sobre la tuerca.

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Figura 3. Prueba de dinamómetro simulada de dos motores diferentes

Hacer clic aquí para la versión grande.

figura 3 muestra el par máximo y la potencia generados por dos motores diferentes. Un motor es un motor de camión diesel Caterpillar C-12 turboalimentado. Este motor pesa alrededor de 2,000 libras y tiene una cilindrada de 732 pulgadas cúbicas (12 litros). El otro motor es un motor Ford Mustang Cobra altamente modificado, con una cilindrada de 280 pulgadas cúbicas (4,6 litros); tiene un sobrealimentador adicional y pesa alrededor de 400 libras. Ambos producen un máximo de aproximadamente 430 caballos de fuerza (hp), pero solo uno de estos motores es adecuado para tirar de un camión pesado. La razón radica en parte en la curva de potencia / par que se muestra arriba.

Cuando la animación se detiene, puede ver que el motor Caterpillar produce 1,650 lb-pie de torque a 1200 rpm, que es 377 hp. A 5.600 rpm, el motor Mustang también genera 377 hp, pero solo genera 354 libras-pie de torque. Si ha leído el artículo sobre relaciones de transmisión, es posible que esté pensando en una forma de ayudar al motor Mustang a producir los mismos 1.650 libras-pie de torque. Si coloca una reducción de engranaje de 4.66: 1 en el motor Mustang, la velocidad de salida sería (5600 / 4.66 rpm) 1200 rpm, y el par sería (4.66 * 354 lb-ft) 1,650 lb-ft, exactamente el igual que el gran motor Caterpillar.

Ahora se estará preguntando, ¿por qué los camiones grandes no usan motores de gas pequeños en lugar de motores diesel grandes? En el escenario anterior, el gran motor Caterpillar va holgazaneando a 1200 rpm, agradable y lento, produciendo 377 caballos de fuerza. Mientras tanto, el pequeño motor de gasolina está gritando a 5.600 rpm. El pequeño motor de gasolina no va a durar mucho a esa velocidad y potencia. El motor del camión grande está diseñado para durar años y para recorrer cientos de miles de millas cada año que dure..

Unidades comunes de torque

SI:

Newton metro (Nm)

   1 Nm = 0,737 libras-pie

Inglés:

Libra pulgada (lb-in)

   1 libra pulgada = 0,113 Nm

Libra-pie (lb-ft)

   1 libra-pie = 1.356 Nm

los trabajo de lo que estamos hablando aquí es trabajo en el sentido de la física. Ni el trabajo a domicilio, ni los quehaceres domésticos, ni su trabajo ni ningún otro tipo de trabajo. Es un buen trabajo mecánico.

El trabajo es simplemente el aplicación de una fuerza a distancia, con una captura: la distancia solo cuenta si está en la dirección de la fuerza que aplica. Levantar un peso del suelo y colocarlo en un estante es un buen ejemplo de trabajo. La fuerza es igual al peso del objeto y la distancia es igual a la altura del estante. Si el peso estaba en otra habitación y tuvieras que levantarlo y cruzar la habitación antes de ponerlo en el estante, no harías más trabajo que si el peso estuviera sentado en el suelo directamente debajo del estante. Es posible que haya sentido que hizo más trabajo, pero mientras caminaba con el peso se movía horizontalmente, mientras que la fuerza del peso era vertical..

Tu coche también funciona. Cuando está en movimiento, debe aplicar una fuerza para contrarrestar las fuerzas de fricción y resistencia aerodinámica. Si sube una colina, hace el mismo tipo de trabajo que usted hace al levantar un peso. Sin embargo, cuando vuelve a bajar la colina, recupera el trabajo que hizo. La colina ayuda al coche a bajar.

El trabajo es energía que se ha utilizado. Cuando trabajas, usas energía. Pero a veces se puede recuperar la energía que utiliza. Cuando el automóvil sube la colina, el trabajo que hace para llegar a la cima lo ayuda a bajar. El trabajo y la energía están estrechamente relacionados. Las unidades de trabajo son las mismas que las unidades de energía, que discutiremos más adelante..

La potencia es una medida de la rapidez con la que se puede realizar el trabajo. Con una palanca, es posible que pueda generar 200 pies-lb de torque. ¿Pero podrías hacer girar esa palanca 3000 veces por minuto? Eso es exactamente lo que hace el motor de tu coche..

La unidad SI para potencia es la vatio. Un vatio se descompone en otras unidades de las que ya hemos hablado. Un vatio es igual a 1 Newton-metro por segundo (Nm / s). Puede multiplicar la cantidad de torque en Newton-metros por la velocidad de rotación para encontrar la potencia en vatios. Otra forma de ver la potencia es como una unidad de velocidad (m / s) combinada con una unidad de fuerza (N). Si estuviera empujando algo con una fuerza de 1 N y se moviera a una velocidad de 1 m / s, su potencia de salida sería de 1 vatio..

Una forma interesante de averiguar cuánta potencia puede generar es ver qué tan rápido puede subir un tramo de escaleras.

  1. Mide la altura de un conjunto de escaleras que te lleva hasta tres pisos.
  2. Toma el tiempo mientras subes las escaleras lo más rápido posible..
  3. Divide la altura de las escaleras por el tiempo que tardaste en subirlas. Esto te dará tu velocidad.

Por ejemplo, si tardó 15 segundos en subir 10 metros, entonces su velocidad fue de 0,66 m / s (solo su velocidad en la dirección vertical es importante). Ahora necesita averiguar cuánta fuerza ejerció sobre esos 10 metros, y dado que lo único que subió por las escaleras fue usted mismo, esta fuerza es igual a su peso. Para obtener la cantidad de potencia que genera, multiplique su peso por su velocidad.

Potencia (W) = (altura de escaleras (m) / Tiempo para subir (s)) * peso (N)

Potencia (hp) = [(altura de las escaleras (pies) / tiempo para subir (s)) * peso (lb)] / 550

Unidades comunes de poder

SI:

Vatios (W)

   1000 W = 1 kW

Kilovatio (kilovatio)

   1 kW = 1.341 caballos de fuerza

Inglés

Caballos de fuerza (hp)

   1 CV = 0,746 kW

Energía es el capítulo final de nuestra saga de terminología. Necesitaremos todo lo que hemos aprendido hasta este punto para explicar la energía..

Si el poder es como la fuerza de un levantador de pesas, la energía es como su resistencia. La energía es un medida de cuánto tiempo podemos mantener la producción de energía, o cuánto trabajo podemos hacer. El poder es la velocidad a la que hacemos el trabajo. Una unidad común de energía es el kilovatio-hora (kWh). En la última sección aprendiste que un kW es una unidad de potencia. Si usamos un kW de potencia, un kWh de energía durará una hora. Si usamos 10 kW de potencia, consumiremos los kWh en solo seis minutos.

Hay dos tipos de energía: potencial y cinético.

Energía potencial

Energía potencial es esperando ser convertido en poder. La gasolina en un tanque de combustible, la comida en el estómago, un resorte comprimido y un peso que cuelga de un árbol son ejemplos de energía potencial.

El cuerpo humano es un tipo de dispositivo de conversión de energía. Convierte la comida en energía, que se puede utilizar para trabajar. El motor de un automóvil convierte la gasolina en energía, que también se puede utilizar para trabajar. Un reloj de péndulo es un dispositivo que utiliza la energía almacenada en pesas colgantes para realizar su trabajo..

Cuando levanta un objeto más alto, gana energía potencial. Cuanto más alto lo levante y más pesado sea, más energía gana. Por ejemplo, si levanta una bola de boliche 1 pulgada y la deja caer sobre el techo de su automóvil, no causará mucho daño (por favor, no intente esto). Pero si levanta la bola 30 metros y la deja caer sobre su automóvil, hará una gran abolladura en el techo. La misma pelota lanzada desde una altura mayor tiene mucha más energía. Entonces, al aumentar la altura de un objeto, aumenta su energía potencial.

Volvamos a nuestro experimento en el que subimos corriendo las escaleras y averiguamos cuánta energía usamos. Hay otra forma de ver cómo calculamos nuestra potencia: calculamos cuánta energía potencial ganó nuestro cuerpo cuando lo elevamos a cierta altura. Esta cantidad de energía fue el trabajo que hicimos al subir corriendo las escaleras (fuerza * distancia, o nuestro peso * la altura de las escaleras). Luego calculamos cuánto tiempo tomó hacer este trabajo, y así fue como descubrimos el poder. Recuerda que el poder es la velocidad a la que trabajamos.

La fórmula para calcular la energía potencial (PE) que gana cuando aumenta su altura es:

PE = Fuerza * Distancia

En este caso, la fuerza es igual a su peso, que es su masa (m) * la aceleración de la gravedad (g), y la distancia es igual a su cambio de altura (h). Entonces la fórmula se puede escribir:

PE = mgh

Unidades comunes de energía

SI:

Newton metro (Nm)

   1 Nm = 1 J

Joule (J)

   1 J = 0,239 cal

Caloría (cal)

   1 cal = 4,184 J

Watt horas (Wh)

   1 Wh = 3600 J

Kilovatios hora (kWh)

   1 kWh = 1000 Wh

   1 kWh = 3.600.000 J

1 kWh = 3.412 BTU

Inglés:

Pie - libra (ft lb)

   1 libra pie = 1.356 Nm

Unidad térmica británica (BTU)

   1 BTU = 1055 J

   1 BTU = 0,0002931 kWh

La energía cinética es energía de movimiento. Los objetos que se mueven, como una montaña rusa, tienen energía cinética (KE). Si un automóvil choca contra una pared a 5 mph, no debería causar mucho daño al automóvil. Pero si choca contra la pared a 40 mph, lo más probable es que el auto sea totalizado..

La energía cinética es similar a la energía potencial. Cuanto más pesa el objeto y más rápido se mueve, más energía cinética tiene. La fórmula de KE es:

KE = 1/2 * m * v2

dónde metro es la masa y v es la velocidad.

Una de las cosas interesantes de la energía cinética es que aumenta con la velocidad al cuadrado. Esto significa que si un automóvil va dos veces más rápido, tiene cuatro veces más energía. Es posible que haya notado que su automóvil acelera mucho más rápido de 0 mph a 20 mph que de 40 mph a 60 mph. Comparemos cuánta energía cinética se requiere en cada una de estas velocidades. A primera vista, podría decirse que, en cada caso, el automóvil está aumentando su velocidad en 20 mph, por lo que la energía requerida para cada aumento debe ser la misma. Pero esto no es así.

Podemos calcular la energía cinética requerida para pasar de 0 mph a 20 mph calculando el KE a 20 mph y luego restando el KE a 0 mph de ese número. En este caso, sería 1/2 * m * 202 - 1/2 * m * 02. Como la segunda parte de la ecuación es 0, el KE = 1/2 * m * 202, o 200 m. Para el automóvil que va de 40 mph a 60 mph, el KE = 1/2 * m * 602 - 1/2 * m * 402; entonces KE = 1800 m - 800 m, o 1000 m. Al comparar los dos resultados, podemos ver que se necesita un KE de 1,000 m para pasar de 40 mph a 60 mph, mientras que solo se necesitan 200 m para pasar de 0 mph a 20 mph..

Hay muchos otros factores involucrados en la determinación de la aceleración de un automóvil, como la resistencia aerodinámica, que también aumenta con la velocidad al cuadrado. Las relaciones de transmisión determinan qué parte de la potencia del motor está disponible a una velocidad particular, y la tracción a veces es un factor limitante. Así que es mucho más complicado que simplemente hacer un cálculo de energía cinética, pero ese cálculo ayuda a explicar la diferencia en los tiempos de aceleración..

Ahora que conocemos la energía potencial y la energía cinética, podemos hacer algunos cálculos interesantes. Averigüemos qué tan alto podría saltar un saltador con pértiga si tuviera la técnica perfecta. Primero averiguaremos su KE, y luego calcularemos qué tan alto podría saltar si usara todo ese KE para aumentar su altura (y por lo tanto su PE), sin desperdiciar nada. Si convirtió todos sus KE a PE, entonces podemos resolver la ecuación haciéndolos iguales entre sí:

1/2 * m * v2 = m * g * h

Dado que la masa está en ambos lados de la ecuación, podemos eliminar este término. Esto tiene sentido porque tanto KE como PE aumentan al aumentar la masa, por lo que si el corredor es más pesado, tanto su PE como su KE aumentan. Así que eliminaremos el término de masa y reorganizaremos un poco las cosas para resolver h:

1/2 * v2 / g = h

Digamos que nuestro saltador con pértiga puede correr tan rápido como cualquiera en el mundo. En este momento, el récord mundial de correr 100 m es de poco menos de 10 segundos. Eso da una velocidad de 10 m / s. También sabemos que la aceleración debida a la gravedad es de 9,8 m / s2. Entonces ahora podemos resolver la altura:

1/2 * 102 / 9,8 = 5,1 metros

Entonces, 5.1 metros es la altura a la que un saltador con pértiga podría elevar su centro de masa si convirtiera todo su KE en PE. Pero su centro de masa no está en el suelo; está en el medio de su cuerpo, aproximadamente a 1 metro del suelo. Por tanto, la mejor altura que podría alcanzar un saltador con pértiga es de unos 6,1 metros o 20 pies. Es posible que pueda ganar un poco más de altura mediante el uso de técnicas especiales, como empujar desde la parte superior del poste o hacer un salto realmente bueno antes del despegue..

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Figura 4. Animación de salto con pértiga

En Figura 4 se puede ver cómo cambia la energía del salto con pértiga mientras realiza el salto. Cuando comienza, tanto su energía potencial como cinética son cero. Cuando comienza a correr, aumenta su energía cinética. Luego, cuando planta el poste y comienza su salto, cambia su energía cinética por energía potencial. Cuando el poste se dobla, absorbe gran parte de su energía cinética, como si se comprimiera un resorte. Luego usa la energía potencial almacenada en el poste para elevar su cuerpo sobre la barra. En la parte superior de su bóveda, ha convertido la mayor parte de su energía cinética en energía potencial..

Nuestro cálculo se compara bastante bien con el récord mundial actual de 6,15 metros, establecido por Sergey Bubka en 1993.

Para obtener más información sobre estos conceptos de física y temas relacionados, consulte los enlaces en la página siguiente..

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