Ejemplo de Trabajo Mecánico

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Autor: Redacción Ejemplode.com, año 2017

El trabajo mecánico se ha definido como la acción de una Fuerza de valor constante a lo largo de una Distancia. Usualmente se le ilustra mostrando a una persona desplazando un cuerpo de un punto a otro de la horizontal.

El Trabajo es la magnitud física que resulta de la multiplicación de la Fuerza aplicada por toda la Distancia, teniendo como unidades los Newton-metro o Joules, para el Sistema Internacional de Medidas SI. Un Joule es el trabajo realizado con una Fuerza de 1 Newton a lo largo de 1 metro.

El trabajo es una magnitud escalar que se representa generalmente con la letra W, aludiendo a la palabra en inglés “Work”.

Su cálculo se expresa de la siguiente manera:

Fórmula de Trabajo MecánicoSi se observa la Fuerza aplicada como la resultante de un sistema de Fuerzas, es posible descubrir las fuerzas menores que se involucran. Por ejemplo, en el momento de la elevación de una carga con una polea, actúan como Fuerzas el Peso de la Carga y la Tensión del Cable de la polea. La resultante entre ambas determinará si la carga se queda estática o empieza a elevarse. Lo que se hace al final es multiplicar por la distancia del desplazamiento.

Si el trabajo mecánico se efectúa a favor de un movimiento ya establecido en el cuerpo, se toma como positivo y se añade al trabajo que ya lo está afectando, generando un trabajo total mayor.

Si el trabajo mecánico se efectúa en contra del movimiento del cuerpo, se toma como negativo y se contrapone al trabajo que ya afecta al cuerpo, generando un trabajo resultante menor invadiendo el cuerpo.

Trabajo Mecánico aplicado con un Ángulo de inclinación

 Hay casos en que la fuerza para desplazar el objeto no se está aplicando en forma horizontal, sincronizada con el movimiento, sino con un ángulo respecto al plano. Esto significa que la Fuerza que se está ejerciendo actúa con una componente vertical y con una componente horizontal.

En el desplazamiento horizontal del cuerpo, no se considera la componente vertical porque el objeto no se está elevando en el aire, sino sólo desplazándose horizontalmente, así que sólo se procede a calcular la Fuerza que verdaderamente está generando el movimiento.

Para calcular la Fuerza que nos interesa, multiplicamos la Fuerza aplicada por el Coseno del ángulo. De esa manera se traduce la Fuerza a la Dirección correcta del movimiento.

Fórmula de Fuerza en Trabajo Mecánico con Ángulo

De manera que, aplicando esta igualdad al cálculo del Trabajo Mecánico, la nueva fórmula sería:

Fórmula de Trabajo Mecánico con Ángulo

Trabajo Mecánico en Termodinámica

Para entender mejor el contexto Termodinámico del Trabajo Mecánico, es necesario definir el Sistema Cerrado. Un sistema cerrado es un recipiente con un volumen definido y en el que no hay intercambio de materia con el exterior. Sólo hay intercambio de energía y trabajo por medio de la frontera o borde del sistema.

En Termodinámica, el trabajo mecánico es aprovechado en los sistemas cerrados, ya sea como apoyo o consecuencia del fenómeno que ocurre en el interior de ellos.

Se usará como ejemplo un sistema de cilindro-émbolo. Si en un sistema Cilindro-Embolo se tiene encerrado un gas, y se hace variar la Temperatura o la Presión, las partículas del gas responderán a ese cambio dentro del recipiente, agrupándose o dispersándose en mayor medida, generando una variación en el volumen comprendido.

Este fenómeno de expansión o compresión se manifiesta aún más claramente cuando ocurre una reacción química cuya estequiometría implica un cambio de volumen, de reactivos a productos, como por ejemplo una combustión.

El motor de combustión interna es el ejemplo más claro de la aplicación de trabajo mecánico obtenido por una reacción química en un sistema termodinámico cerrado.

Los parámetros con los que se calcula el Trabajo en un Sistema Termodinámico Cerrado, viene dado por la siguiente expresión:

Trabajo Mecánico en Sistemas Termodinámicos CerradosLa anterior ecuación calcula el Trabajo, multiplicando la Presión del sistema por el Cambio de Volumen. Para cambios infinitesimales, se tiene la expresión diferencial:

Fórmula Diferencial del Trabajo en Sistema CerradoY se integra la expresión entre los volúmenes inicial y final V1 y V2.

Forma Integral del Trabajo en Sistemas CerradosHay dos casos en que se puede integrar la ecuación:

Primer caso: La presión es constante en el sistema, por lo que sólo se coloca su valor numérico a la izquierda del símbolo de integración, y se procede a integrar únicamente el diferencial dV.

Segundo caso: La presión es una función del volumen P = Φ(V), que se inserta entre el símbolo de integración y el diferencial, y se procede a su integración, término a término, entre los límites V1 y V2, hasta llegar al valor numérico de W.

Ejemplos de Trabajo Mecánico

El desplazamiento de una tarima con un montacargas, implica trabajo mecánico vertical para levantarla, y horizontal para llevarla a su sitio.

Ejemplo de Trabajo Mecánico en Montacargas

En un motor de combustión interna, la reacción de la gasolina con la chispa de la bujía y el aire genera una expansión en el pistón que aporta trabajo mecánico, que será comunicado posteriormente al cigüeñal y a las llantas.

En los puertos comerciales, donde hay numerosas cajas metálicas de dimensiones enormes, se utilizan grúas para desplazarlas. Primero, la polea de la grúa se engancha a la caja; se eleva en el aire a velocidad moderada, y al final se desplaza horizontalmente para depositarla en su sitio del barco donde se va a transportar.

Ejemplo de Trabajo Mecánico, Grúa

En las centrales termoeléctricas, el vapor generado por la caldera mueve las turbinas, que comunican el trabajo mecánico a los generadores para producir la energía eléctrica.

Los brazos mecatrónicos que se tienen operando en las ensambladoras automotrices, aplican trabajo mecánico a las piezas, para transportarlas y acomodarlas en su sitio de diseño.

Ejemplo de Trabajo Mecánico en Brazos Robóticos

Un trabajo mecánico un poco más abstracto es el que genera el viento contra las velas de un barco para moverlo por encima del agua. Es por eso que las velas se acomodan estratégicamente, para aprovechar al máximo el trabajo que puede aportar el aire en movimiento.

En el ramo de la construcción los trascabos se encargan de aplicar trabajo mecánico a la materia prima, ya sea arena, cemento, cal. Primero, se recoge la mayor cantidad posible en el cucharón, después se transporta y al final se deposita donde va a ser utilizada. Son entre tres y cuatro procesos de trabajo mecánico.

Citado APA: (A. 2017,06. Ejemplo de Trabajo Mecánico. Revista Ejemplode.com. Obtenido 06, 2017, de http://www.ejemplode.com/37-fisica/4575-ejemplo_de_trabajo_mecanico.html)

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Autor: Redacción Ejemplode.com, año 2017

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