Trabajo y energía
La energía
es una palabra que suele utilizarse mucho en la vida cotidiana. Aunque a
menudo se usa de manera ambigua, tiene un significado físico muy
específico.
Aunque
solemos escuchar a las personas hablar del consumo de energía, esta
nunca se destruye realmente: tan solo se transfiere de una forma a otra,
y realiza un trabajo en el proceso. Algunas formas de energía son menos
útiles para nosotros que otras (por ejemplo, la energía calorífica de
bajo nivel). Es mejor hablar del consumo o la extracción de recursos
energéticos (como el carbón, el petróleo o el viento) que hablar del
consumo de energía en sí mismo.
- Una bala que se mueve a gran velocidad tiene asociada una cantidad medible de energía, conocida como energía cinética. La bala adquiere esta energía por el trabajo que hizo sobre ella una carga de pólvora que a su vez perdió algún tipo de energía potencial química en el proceso.
- Una taza de café caliente tiene una cantidad medible de energía térmica, que adquirió por el trabajo que realizó sobre ella un horno de microondas, que a su vez tomó la energía de la red eléctrica.
En
la practica, siempre que se realice un trabajo para convertir energía
de una forma a otra, hay alguna pérdida en otras formas de energía, como
el calor o el sonido. Por ejemplo, un foco tradicional es capaz de
convertir energía eléctrica en luz visible con tan solo un 3% de
eficiencia, mientras que un ser humano es aproximadamente un 25%
eficiente para convertir en trabajo la energía química que extrae de los
alimentos que consume.
¿Cómo medimos la energía y el trabajo?
En la física, la unidad estándar para medir la energía y el trabajo realizado es el joule,
que se denota por el símbolo J. En mecánica, 1 joule es la energía que
se transfiere cuando se aplica una fuerza de 1 newton sobre un objeto y
lo desplaza una distancia de 1 metro.
Esto es igual a 4184 joules por kilocaloría, por lo que una barra de
chocolate tiene 1,17 millones de joules o 1,17 MJ de energía almacenada.
¡Eso es un montón de joules!
¿Por cuánto tiempo debo empujar una caja pesada para quemar una barra de chocolate?
Supongamos que nos sentimos culpables por comer una barra de chocolate;
queremos averiguar cuánto ejercicio hay que hacer para compensar esas
280 kilocalorías extras. Consideremos una forma de ejercicio simple:
empujar una caja pesada en una habitación, como puedes ver en la figura 1
que se muestra a continuación.
Al
colocar una báscula de baño entre nosotros y la caja, encontramos que
podemos empujarla con una fuerza de 500 N. Mientras tanto, usamos un
cronómetro y una cinta métrica para medir nuestra velocidad, que resulta
ser de 0,25 metros por segundo.
Entonces, ¿cuánto trabajo necesitamos hacer sobre la caja para quemar la barra de chocolate? La definición de trabajo, W, es:
El trabajo que necesitamos hacer para quemar la energía de la barra de chocolate es E, equals, 280, c, a, l, dot, 4184, J, slash, c, a, l, equals, 1, comma, 17, M, J.
Por lo tanto, debemos mover la caja una distancia Δx, que es:
Sin embargo, recuerda que nuestros cuerpos tienen una eficiencia
aproximada de 25% para transferir la energía almacenada de un alimento
en trabajo. La energía real que aprovecharemos será cuatro veces menor
que el trabajo hecho sobre la caja. Así que solo necesitamos empujar la
caja una distancia de 585 m, que es una longitud mayor a la de cinco
campos de futbol americano. Siendo nuestra velocidad 0,25 m/s, esto nos
tomará:
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