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¿Cuál es la diferencia entre aplicar fuerza y gastar energía?

Tengo un seguimiento de esta pregunta sobre cómo se pueden sostener los objetos, en contra de la gravedad, sin que se realice trabajo. Este comentario es con lo que me tropiezo:

A diferencia de tu brazo, la mesa no necesita gastar energía para sostener el libro.... Todo lo que la mesa necesita hacer es aplicar la fuerza, pero aplicar la fuerza no significa necesariamente gasto de energía .

¿Debo esperar entonces que sostener una bola de bolos haga que mi brazo no más cansado que sostener un libro?

O preguntado de otra manera: Si coloco una piedra muy pesada sobre una mesa de madera, y vuelvo después de un mes, para encontrar que la mesa se ha deformado, ¿prueba eso que la mesa tiene "energía gastada" que sostiene la piedra, y que esta pérdida de energía se refleja de alguna manera en un compromiso de la integridad del material?

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Mark H Puntos 2378

Si una fuerza realiza trabajo, entonces está causando algún tipo de cambio en la cosa que recibe la fuerza: posición, velocidad, temperatura, forma, etc. Si una fuerza no provoca ningún cambio, entonces no realiza ningún trabajo ( ver la respuesta aquí ).

En el caso de la mesa, colocar cualquier peso encima hará que se deforme como un muelle. Después de esta deformación inicial (que sí requiere que se trabaje en la mesa, ya que cambió), hay dos posibles resultados finales. En primer lugar, el peso es lo suficientemente ligero como para que la mesa pueda sostenerlo indefinidamente sin más cambios de forma. En segundo lugar, el peso es lo suficientemente pesado como para que la mesa siga deformándose y cayendo al suelo antes de romperse (lo que puede ser un proceso rápido o lento). La primera situación se denomina deformación elástica, ya que la mesa volverá a su forma original una vez que se retire el peso. La segunda situación se denomina deformación inelástica. Al retirar el peso, la mesa no recupera su forma original (especialmente si está rota).

Que la deformación sea elástica o inelástica se reduce a si el peso es lo suficientemente grande como para superar las fuerzas que mantienen unida la mesa, es decir, los enlaces entre los átomos que la componen. Las deformaciones elásticas sólo tensionan y estiran estos enlaces. Las deformaciones inelásticas rompen estos enlaces, lo que provoca cambios permanentes en la estructura de la mesa. Si la mesa se hunde continuamente debido al peso colocado sobre ella, eso es una prueba de que la estructura de la mesa está cambiando, y de que la fuerza está realizando un trabajo sobre la mesa. Si la mesa se mantiene estable, entonces no se está realizando ningún trabajo porque nada está cambiando.

En el caso de su brazo, como se describe en esta respuesta Las estructuras que hacen que el brazo sostenga un peso son temporales por naturaleza. Por lo tanto, para sostener un peso, las estructuras que hacen que tus músculos se contraigan tienen que reformarse constantemente. Es un poco difícil darse cuenta de que el trabajo está ocurriendo porque tu brazo está casi siempre inmóvil. Sin embargo, si observaras tu brazo con una cámara de infrarrojos, estaría notablemente más caliente que el resto de tu cuerpo. Como el calor se irradia, mantener una temperatura elevada requiere trabajo. Por lo tanto, su brazo está realizando un trabajo, pero el trabajo realizado se destina a calentar su brazo. El peso no realiza ningún trabajo porque el peso no cambia: ni en posición, ni en velocidad, ni en forma, ni en temperatura.

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enedil Puntos 101

Este tema me parece que confunde a mucha gente. Los libros de texto siguen utilizando el ejemplo de "sostener un libro en alto", lo que provoca bastante más confusión de la que creo que merece la pena.

El trabajo es una fuerza aplicada en la dirección del movimiento a lo largo de una distancia. Si no hay movimiento en la dirección de la fuerza, no hay trabajo. Si una mesa sostiene un objeto pesado, es posible que aplique una fuerza muy grande (exactamente la suficiente para contrarrestar la fuerza de la gravedad que tira del objeto hacia abajo), pero es posible que no realice ningún trabajo. Esto es algo bueno, porque el trabajo también se considera un cambio en la energía cinética. La energía se conserva, por lo que si hubiera una forma de ganar energía mientras se está quieto, ¡serían posibles todo tipo de máquinas de movimiento perpetuo!

Sin embargo, cuando se introduce el cuerpo humano, la cosa se complica. El cuerpo humano no es tan simple y estático como una mesa. Está constantemente ajustando y modificando el equilibrio entre las fibras musculares para tratar de mantener inmóvil el objeto que tiene en la mano. Si se activaran demasiadas fibras musculares, el objeto se levantaría. Demasiadas pocas, y se caería. En teoría, si mantuvieras los sacómeros de las fibras musculares perfectamente inmóviles en el momento justo, serías capaz de mantener el objeto sin gastar energía. En realidad, el cuerpo humano no funciona así.

Así, el cuerpo humano es un ejemplo muy pobre para estudiar la diferencia entre fuerza y energía. Simplemente intenta hacer demasiadas cosas al mismo tiempo.

En tu ejemplo de la pesada mesa de piedra y madera, la dirección del movimiento es importante. En este caso, todo se mueve hacia abajo (por gravedad). La mesa, sin embargo, está empujando hacia arriba la pesada piedra. Como la fuerza está en la dirección opuesta al movimiento, el trabajo realizado es negativo . Otra forma de decir esto es que el trabajo se hace a la mesa, no al revés.

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