¿Qué tipo de fuerza puede ejercer una roca que no puede ejercer un motor?

Question

Imagina una presa con dos puertas. Tenemos dos casos:

Primer caso: hay una roca lo suficientemente pesada como para impedir que las puertas se abran.

Segundo caso: hay dos motores o una especie de máquinas (no estoy seguro de que puedan ser motores) que aplican la fuerza suficiente sobre las dos puertas para mantenerlas cerradas.

En el primer caso no consumimos energía (¡supongo!), pero en el segundo sí. ¿Cómo es posible? ¿Qué tipo de fuerza utiliza la roca para mantener las puertas cerradas, que los motores/máquinas no pueden utilizar?

PD: Tengo 15 años y sólo sé lo básico de la física, así que hazlo simple, por favor.

Answer 1

En ambos ejemplos, el motor/roca no hace ningún trabajo contra la puerta. Lo sabemos porque no hay movimiento en la dirección de la fuerza.

La diferencia es que el motor utiliza un campo electromagnético para generar esa fuerza, y ese campo se genera haciendo pasar electricidad por un montón de cables enrollados. La electricidad que fluye a través de estos cables disipa energía debido a la resistencia de los mismos. La energía consumida por el motor se disipa en forma de calor dentro del motor.

De hecho, muchos motores pueden quemarse si los haces funcionar de esta manera. Muchos motores dependen de su propia rotación para proporcionar un flujo de aire que enfríe el cableado dentro del motor.

Answer 2

La fuerza es la fricción. Cuando una roca pesada está asentada en el suelo, se necesita mucha fuerza para superar la fuerza de fricción estática y conseguir que la roca se deslice.

Compárelo con un motor. La única parte de un motor unida a la puerta sería un engranaje. La idea detrás de los motores es ser eficientes, por lo que están diseñados para tener la menor fricción posible en ellos. Esto significa que tenemos que aplicar una fuerza para mantener las cosas en su sitio.

Si tuvieras un motor, con un engranaje grande y pesado y un eje de transmisión grande y pesado y tuviera unos rodamientos malos y demás, la fricción en el sistema del motor sería mayor que la fuerza aplicada por la puerta y así no tendríamos que aplicar nada más. Sería lo mismo que una roca grande y pesada.

Answer 3

No se trata de un tipo de fuerza diferente que permita a la roca mantener la puerta cerrada, sino de un tipo de mecanismo diferente para proporcionar esa fuerza.

La fuerza de contacto de la roca presiona contra la puerta, mientras que la fricción (otra fuerza de contacto) con el suelo impide que la roca sea empujada por la puerta. Las fuerzas de contacto son fuerzas de reacción electrostática que impiden que los electrones de dos objetos ocupen el mismo espacio.

Las máquinas y los motores también pueden ejercer pasivo fuerzas de contacto contra la puerta. Los pernos, que ejercen fuerzas de contacto contra el suelo, impiden que se muevan. Si las máquinas contienen un pistón, unos engranajes y un trinquete, el trinquete puede impedir que el pistón sea empujado hacia atrás después de haber cerrado la puerta.

Si el pistón es empujado por una máquina de vapor o de combustión, la presión del vapor o de los gases de combustión puede proporcionar una fuerza constante para mantener la puerta cerrada, siempre que no haya fugas y el cilindro no se enfríe. El orificio de escape debe estar bloqueado para evitar que los gases se escapen. Esto actúa como un trinquete.

Si la máquina no tiene un mecanismo de trinquete para evitar que el pistón se mueva hacia atrás, entonces se necesita un suministro constante de energía para mantener un activo fuerza contra la puerta. Las ruedas de agua requieren un flujo constante de agua para mantener el par motor. Los motores eléctricos requieren una corriente eléctrica constante para mantener un par constante en la armadura. La bobina del motor tiene cierta resistencia, aunque sea pequeña, por lo que la corriente disipa energía en forma de calor en la bobina.

Esto es en cierto modo como las fuerzas activas proporcionadas por los seres humanos. No se necesita energía para ejercer una fuerza pasiva apoyándose en la puerta, pero nos cansamos cuando ejercemos activamente un empuje constante contra una puerta, o cuando sostenemos cosas, aunque no se esté realizando ningún trabajo en el sentido físico. Nuestros músculos consumen energía sólo para mantenerlos en tensión. Véase ¿Por qué sostener algo cuesta energía mientras no se realiza ningún trabajo? .

Answer 4

Tienes razón, no necesitas consumir energía para mantener la puerta cerrada.

En el caso de la piedra, la puerta se mantiene en su lugar por la fuerza normal de contacto de la roca, sin embargo, la roca tiene que experimentar también suficiente fricción estática del suelo para que no se mueva, sin fricción (por ejemplo, si la roca se mantiene por encima del suelo por un gran globo, la puerta se abrirá, independientemente de la masa de la roca, pero se moverá más lentamente cuanto mayor sea la masa).

Pero puede utilizar otros procesos menos eficientes para mantener la puerta cerrada (una opción mala e innecesaria), en cuyo caso puede gastar una cantidad arbitraria de energía. Por ejemplo, si alejas la roca a cierta distancia de la puerta, y unes a la roca un motor con un "brazo" orientado hacia la pared que necesita consumir energía del motor para evitar ser comprimido, entonces gastarás energía interna para evitar que el brazo se comprima. Pero esta energía no es realmente necesaria, es el resultado de utilizar un método no eficiente para sujetar la puerta.

Answer 5

Añadiendo a las respuestas ya dadas:

La energía eléctrica "consumida" por el motor puede transferirse en dos formas de energía, a saber, calor y trabajo. Su suma es igual a la energía eléctrica suministrada (1ª ley de la termodinámica).

El trabajo se define como el desplazamiento (en metros) por la fuerza (en Newton). Como la puerta no se mueve, toda la energía eléctrica se transforma en calor.