POTENCIA
Definición
Cuando dos personas efectúan el mismo trabajo, pero una lo hace en menos tiempo que la otra, es decir, cuando comparamos el trabajo en relación con el tiempo empleado (fig. 11), estamos frente a un nuevo concepto, que llamamos potencia y que se define así:
Potencia es el trabajo realizado en la unidad de tiempo; o sea, es el cociente entre el trabajo realizado y el tiempo empleado en realizarlo. |
Figura 11. Trabajo realizado en la unidad de tiempo. El trabajo realizado para subir es el mismo, pero el joven lo hace en menos tiempo que el anciano, pues tiene más potencia.
En símbolos,
Ejemplo. Una grúa levanta un
cuerpo de 1 000 kgf hasta 5 m de
altura en 5 seg. Otra, eleva el mismo peso hasta igual altura en
45 seg. ¿Cuál de ellas tiene mayor potencia?
La potencia de la
primera es mayor que la de la segunda,
pues realiza el mismo trabajo en menor tiempo.
La potencia de una máquina es el trabajo que puede desarrollar en un segundo.
La potencia a menudo se confunde con el término energía. Están relacionados pero tienen significados diferentes. Mientras que la energía es la capacidad de realizar un trabajo útil, la potencia es la velocidad a la que se utiliza la energía .
Por lo tanto:
potencia (kW) = energía (kWh) / tiempo (h).
Ejemplos de requisitos de potencia, un acondicionador de aire de habitación típico tiene una potencia nominal de 3 kW. Esto significa que consume 3 kWh de energía cada hora que está funcionando. Un pequeño radiador eléctrico tiene una calificación de 1-2 kW y una persona promedio que sube y baja escaleras tiene un requisito de potencia de alrededor de 70 W.
A veces se calculan los requisitos de energía a partir del conocimiento de la potencia nominal del equipo y el tiempo durante el cual se utiliza en lugar de intentar calcularlo a partir del trabajo realizado. En este caso:
energía (kWh) = potencia (kW) x tiempo (h).
La unidad de Caballo de Fuerza (HP) todavía se utiliza comúnmente para medir la potencia, pero no es una unidad del Sistema Internacional (SI). Sin embargo, para dejar constancia: 1 kW = 1.36 HP. |
Unidades de potencia
En el sistema cgs
Como
En el sistema MKS
Como
| Vatio o watt es la unidad de potencia en el sistema MKS; o sea, se desarrolla una potencia de un vatio al efectuar el trabajo de un joule en el tiempo de un segundo. |
Kilovatio es un múltiplo del vatio y equivale a mil vatios.
EN EL SISTEMA CGS
Si el trabajo es de 75 kgm, resulta
Caballo vapor es la potencia realizada al efectuar un trabajo de setenta y cinco kilográmetros en el tiempo de un segundo.
Relación entre las unidades de potencia
Sabemos que
es decir que la potencia de 1 CV equivale a 735 w ó 0,735 kw.
Podríamos también expresar la potencia como el producto de la fuerza por la velocidad.
En efecto,
Esta expresión nos demuestra por qué, al subir una pendiente, el motor de un vehículo disminuye su velocidad para aumentar su fuerza.
Hay motores de la misma potencia con distinto número de revoluciones, pues unos sirven para máquinas donde la fuerza por realizar es poca y necesitan mucha velocidad, y otros que se aplican a máquinas que necesitan más fuerza que velocidad.
Ejemplos. Un torno: el motor debe realizar más fuerza que velocidad; un lavarropas: el motor debe tener más velocidad que fuerza.
En ambos casos, el motor puede tener la misma potencia, variando sólo el número de revoluciones por minuto (rpm).
Muchas veces hemos escuchado hablar de kilovatios-hora; en general, al hablar del pago de facturas de electricidad, aunque no es una unidad de electricidad.
Sabemos que
El vatio es el trabajo de 10 millones de ergios por segundo. (Luego, es un julio por segundo), y su múltiplo, el kilovatio.
El kilovatio-hora
El kilovatio-hora es una unidad de trabajo y equivale a tres millones seiscientos mil joules.
CUADRO DE UNIDADES DE POTENCIA
ENERGíA
La energía permite que se realice un trabajo útil. Las personas y los animales requieren energía para realizar trabajo. Obtienen esto al comer alimentos y convertirlo en energía útil para el trabajo a través de los músculos del cuerpo. También se necesita energía para hacer que el agua fluya, y por eso se construyen embalses en áreas montañosas, para que la energía natural del agua pueda ser utilizada para hacerla fluir cuesta abajo hacia una ciudad o una central hidroeléctrica. En muchos casos, la energía debe ser añadida al agua para elevarla desde un pozo o un río. Esto puede ser suministrado por un dispositivo de bombeo impulsado por un motor que utiliza energía de combustibles fósiles como el diésel o la gasolina. La energía solar y eólica son alternativas, al igual que la energía proporcionada por manos humanas o animales.
La cantidad de energía necesaria para realizar un trabajo está determinada por la cantidad de trabajo a realizar. Por lo tanto:
energía requerida = trabajo realizado entonces
energía requerida (Nm) = fuerza (N) x distancia (m)
La energía, al igual que el trabajo, se mide en Newton-metros (Nm), pero la medida más convencional de la energía es el vatio segundo(Ws), donde:
1 Ws = 1 Nm
Pero esta es una cantidad muy pequeña para que los ingenieros la utilicen, por lo que en lugar de calcular la energía en grandes cantidades de Newton-metros o segundos-vatio, prefieren usar horas-vatio (Wh) o kilovatios-hora (kWh). Por lo tanto, se multiplica ambos lados de esta ecuación por 3600 para cambiar segundos a horas: 1 Wh = 3600 Nm
Ahora, multiplica ambos lados por 1000 para cambiar horas-vatio a kilovatios-hora (Wh a kWh): 1 kWh = 3 600 000 Nm = 3600 kNm
Solo para añadir a la confusión, algunos científicos miden la energía en julios (J). Esto reconoce la contribución del físico inglés James Joule (1818-1889) a nuestra comprensión de la energía, en particular la conversión de energía mecánica a energía térmica. Así que para dejar constancia: 1 julio = 1 Nm
Algunos ejemplos cotidianos de uso de energía incluyen:
- Un agricultor trabajando en el campo utiliza 0.2-0.3 kWh cada día.
- Un ventilador eléctrico de escritorio utiliza 0.3 kWh cada hora.
- Un aire acondicionado utiliza 1 kWh cada hora.
Observa cómo es importante especificar el período de tiempo (por ejemplo, cada hora, cada día) durante el cual se utiliza la energía.
Cambios de energía
Un aspecto importante de la energía es que puede transformarse de una forma a otra. Las personas y los animales pueden convertir los alimentos en energía útil para impulsar sus músculos. El agricultor que utiliza 0.2 kWh cada día, por ejemplo, debe consumir suficiente comida cada día para suplir esta necesidad de energía; de lo contrario, el agricultor no podría trabajar correctamente. En un sistema típico de motor diésel de bombeo, la energía cambia varias veces antes de llegar al agua. La energía química contenida en el combustible (como el aceite diésel) se quema en un motor diésel para producir energía mecánica. Esta se convierte en energía útil para el agua a través del eje de transmisión y la bomba (Figura ). Por lo tanto, una unidad de bombeo es tanto un convertidor de energía como un dispositivo para añadir energía a un sistema de agua.
Figura : transformación de energía de una forma a otra
El sistema de transferencia de energía no es perfecto y se producen pérdidas de energía debido a la fricción entre las partes móviles, que generalmente se disipan como energía térmica. Estas pérdidas pueden ser significativas y costosas en términos de consumo de combustible. Por esta razón, es importante que una bomba y su unidad de potencia se ajusten a la tarea a realizar para maximizar la eficiencia en el uso de la energía.
Formas de energía
Energía es la mayor o menor capacidad de trabajo que tiene un cuerpo o sistema de cuerpos. O, de otra manera, la energía es el poder que tiene un cuerpo de efectuar un trabajo. |
En el caso de los levantadores de pesas, posee más energía aquel
que es capaz de levantar 200 kg hasta 2 m que el que sólo levanta 100 kg hasta 2m (fig. 12).
Figura 12. Levantador de pesas
Una grúa que es capaz de levantar 2 ton hasta 3 m posee más energía que otra que puede levantar 1 ton hasta 3 m.
A continuación distinguiremos distintos tipos de energía.
ENERGÍA QUÍMICA. Es la onglnada por las transformaciones y reacciones químicas. La batería de los automóviles transforma energía química en energía eléctrica y permite poner en marcha el motor.
ENERGÍA ELÉCTRICA. Es la que tiene almacenada una pila o batería. La corriente eléctrica hace mover un ascensor o un tren; por lo tanto, existe una energía eléctrica.
ENERGÍA CALORÍFICA. Es la que se origina por el trabajo o procesos de rozamientos (al golpear un clavo con un martillo, se calientan objetos; al afilar un cuchillo con piedras de afilar, se produce calor y saltan chispas).
ENERGÍA ATÓMICA. Es la liberada en el proceso de la desintegración atómica (recordemos el submarino atómico).
ENERGÍA ACTUAL O CINÉTICA. Es la que se origina por el estado de movimiento de un cuerpo.
ENERGÍA POTENCIAL. Es la que posee el cuerpo en potencia, por su estado de reposo o posición.
En estas páginas sólo estudiaremos las dos últimas: energía cinética y energía potencial.
Tanto los Newton-metros (Nm) como los Kilogramos-metros (kg m) son unidades de medida utilizadas en física para describir el trabajo y la energía. Sin embargo, hay una diferencia fundamental entre ellas:
-
Newton-metros (Nm): El Newton-metro es la unidad estándar para medir el trabajo y la energía en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Representa el trabajo realizado cuando una fuerza de un Newton se aplica a un objeto y se desplaza un metro en la dirección de la fuerza. Es una medida directa de la cantidad de energía transferida durante un proceso.
-
Kilográmetros (kg m): El kilogramo-metro es una unidad que también se usa para medir el trabajo y la energía, pero no es parte del sistema SI. Esta unidad se basa en la multiplicación de una masa en kilogramos por una distancia en metros y es comúnmente utilizada en contextos específicos, como la mecánica de fluidos. Sin embargo, no es una unidad de medida ampliamente reconocida o utilizada en comparación con el Newton-metro.
En resumen, la principal diferencia radica en que el Newton-metro (Nm) es una unidad más estándar y ampliamente aceptada en la comunidad científica para medir trabajo y energía, mientras que el kilogramo-metro (kg m) es una unidad menos común y no es parte integral del sistema SI.
El sistema que utiliza el kilográmetro, el joule y el ergio es el sistema cegesimal de unidades (CGS), que es un sistema de unidades métricas basado en centímetros, gramos y segundos como unidades fundamentales. En este sistema, se utilizan las siguientes unidades:
- Kilográmetro (kg m): En el sistema CGS, se usa el gramo como unidad de masa y el centímetro como unidad de longitud. Sin embargo, no es común hablar de kilográmetros en la forma en que mencionaste. El kilográmetro es una unidad de trabajo o energía, pero es más comúnmente expresado en gramos y centímetros.
- Joule (J): El joule es una unidad de energía utilizada en varios sistemas de unidades, incluido el CGS. En el sistema CGS, se expresaría en gramos, centímetros y segundos. Un joule en el sistema CGS se llama ergio.
- Ergio (erg): El ergio es la unidad de energía en el sistema CGS. Un ergio es la cantidad de trabajo necesario para mover una fuerza de un dina (unidad de fuerza en el sistema CGS) a través de una distancia de un centímetro.
- La dina (dyn) es una unidad de medida de fuerza en el sistema cegesimal de unidades (CGS). Es una unidad pequeña de fuerza y está relacionada con el sistema métrico basado en centímetros, gramos y segundos.
En el sistema CGS, la dina se define como la cantidad de fuerza necesaria para acelerar una masa de un gramo a una tasa de un centímetro por segundo cuadrado. Matemáticamente, se puede expresar como:
1 dina = 1 g cm/s²
Comparada con la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades (SI), el newton, la relación es:
1 newton (N) = 105 dina
Es importante destacar que el Sistema Internacional de Unidades (SI) es el sistema de unidades más ampliamente utilizado en la actualidad y se basa en metros, kilogramos y segundos como unidades fundamentales. El sistema CGS es menos común en la práctica y ha sido reemplazado en gran medida por el SI debido a su mayor coherencia y simplicidad en la formulación y utilización de las unidades.
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Energía cinética
Un martillo, al golpear sobre un clavo, efectúa un trabajo (introduce el clavo).
Un automóvil, al chocar contra una pared, realiza un trabajo (rompe la pared).
En ambos casos, el trabajo realizado es tanto mayor cuanto mayor es la velocidad de los mismos.
Por eso, la definimos así:
| Energía cinética es la energía
que tiene un cuerpo o sistema de cuerpos, debido a su estado de movimiento. |
Se puede demostrar que la energía
cinética es directamente proporcional a la masa y al cuadrado de la velocidad del cuerpo.
En símbolos,
La energía actual es la energía de un cuerpo en movimiento. Ej.: un tren en marcha que puede derribar una pared; una maza que cae y puede hundir una estaca; una bala que silba y puede perforar una tabla.
Figura 13. La energía cinética es proporcional a la masa del cuerpo
Esta expresión nos indica que a
doble masa, doble energía cinética;
a triple masa, triple energía cinética,
a cuádruple masa, cuádruple
energía cinética (fig. 13); y
que si la velocidad es :
v1 = 1 m/seg,
la energía cinética será 1; si es
v2 = 2 m/seg,
la energía cinética será cuatro veces mayor; si es
v3 = 3 m/seg,
la energía cinética será nueve veces
mayor (fig. 14).
Figura 14. La energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad
- La energía actual aumenta: 1º, cuando crece la velocidad; 2º, cuando el cuerpo absorbe trabajo: si un obrero empuja un vagón, éste aumenta de velocidad porque absorbe el trabajo del obrero.
- La energía actual disminuye: cuando el cuerpo produce trabajo, lo que disminuye la velocidad; así sucede cuando una bala atraviesa un trozo de madera.
Ejemplos :
1- ¿Qué energía cinética alcanzará un cuerpo que pesa 38 kg a los 30 seg de caida libre?
Solución
Como
Respuesta : 167 253,6 kgm
2- ¿Con qué energía tocará tierra un cuerpo que pesa 2500 g y cae libremente desde 12 m de altura?
Solución
Como
Respuesta : 29,69 kgm
Energía potencial
Al colocar un libro en la biblioteca, al colgar la araña (lámpara) al poner la maceta en el soporte,
hemos realizado un trabajo.
Figura 15. El cuerpo que está sobre la mesa posee cierta energía que al caer comprime el resorte.
Figura 16. Al caer la maceta, eleva el cuerpo
Ahora bien, si esos cuerpos caen, ¿qué sucede?
Al llegar al suelo (fig. 154), son
capaces de realizar un trabajo; por
ejemplo, aplastar un resorte, romper
un vidrio, elevar otro cuerpo,
etcétera (fig. 155).
¿Por qué esos cuerpos, que estaban en reposo, tienen capacidad de trabajo? Porque han "almacenado" el trabajo que nosotros realizamos al subirlos. Decimos. entonces, que esos cuerpos tienen energía potencial, o sea que poseen "en potencia" cierta energía que liberarán o devolverán en determinadas ocasiones y momento;
por ejemplo, al caer.
| Energía potencial es la energía que tienen los cuerpos, debido a su estado de reposo; o bien, es la energía de posición (mayor o menor altura). |
Se puede comprobar:
1) Que cuanto más alto está el cuerpo, más trabajo es capaz de desarrollar;
2) Que cuanto mayor sea el peso del cuerpo, mayor es el trabajo que puede desarrollar (figs. 17 y 18).
Figura 17. La energía potencial es
proporcional al peso.
Figura 18. La energía potencial es proporcional a la altura
En consecuencia, la energía potencial es directamente proporcional al peso del cuerpo y a la altura en que se encuentra.
En símbolos,
Ep = P h ,
donde,
- Ep = energía potencial,
- P = peso,
- h = altura.
Unidades de la energía
Si la energia es trabajo, las unidades de energía son las unidades de trabajo, o sea que expresamos la energía potencial o cinética en kgm, joules o ergios.
Ejemplos :
1- Una grúa levanta 20 tn a 15 m de altura en 10 seg. Si las pérdidas se consideran nulas, ¿cuál es la potencia de la grúa, expresada en caballos vapor, vatios y kilovatios?
Solución
Como
P = L / t ;
Respuesta : 30 000 kgm/seg; 400 CV; 294 000 w o
294 kw.
2 - Un peso de 10 kg. a 5 m. de altura que tiene una energía potencial de 10 X 5 = 50 kgm., con la cual puede mover un reloj mecánico; un resorte tendido que tiene el mismo poder; un tanque de 1 m3 de agua a 20 m. de altura (20 m. X 1.000 k. = 20.000 kgm.) que puede accionar una turbina o un molino.
- La energía potencial aumenta: si se eleva más la pesa o si se tiende más el resorte y en cualquier otro caso en que el cuerpo absorbe trabajo.
- La energía potencial disminuye: 1º, si el cuerpo produce trabajo como la pesa que hace caminar el reloj mecánico; 2º, si el cuerpo cae; entonces la energía potencial se transforma en energía actual o cinética
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