TRABAJO

En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra W y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades.

Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía, nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW.

Se denomina trabajo infinitesimal, al producto escalar del vector fuerza por el vector desplazamiento.

Matemáticamente se expresa como:

Donde es el módulo de la fuerza, es el desplazamiento y es el ángulo que forman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento.

Cuando el vector fuerza es perpendicular al vector desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. Asimismo, si no hay desplazamiento, el trabajo también será nulo.

Donde Ft es la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento, ds es el módulo del vector desplazamiento dr, y q el ángulo que forma el vector fuerza con el vector desplazamiento.

El trabajo total a lo largo de la trayectoria entre los puntos A y B es la suma de todos los trabajos infinitesimales

LA TECNOLOGÍA

El último tercio del siglo XVIII se caracterizó por múltiples cataclismos políticos, como la independencia de los Estados Unidos de América y la Revolución Francesa. En esta época también ocurrió otro gran cambio: la revolución industrial.

Esta última revolución consistió en la:

Sustitución del trabajo realizado con herramientas manuales por trabajo realizado con maquinaria.

Sustitución del trabajo realizado por artesanos congregados en gremios por el trabajo realizado por obreros en las fábricas.

Producción masiva de bienes de consumo.

La revolución industrial comenzó en Inglaterra y en sus inicios no estuvo íntimamente relacionada con la ciencia. Los hombres que inventaron las primeras máquinas no fueron científicos sino carpinteros, tejedores, molineros y artesanos que fabricaban herramientas.

La relación entre la industria y la ciencia se incrementó a medida que los industriales se dieron cuenta que los descubrimientos científicos se podían aplicar para resolver problemas prácticos en la industria y para mejorar la manufactura y distribución de los bienes de consumo. Así surgió la ciencia aplicada o tecnología.

Desde entonces los descubrimientos científicos se han aplicado para resolver problemas prácticos y, a su vez, las aplicaciones prácticas abren nuevos horizontes en la investigación científica.

LAS MÁQUINAS SIMPLES

Las máquinas son dispositivos que transfieren la energía de una parte a otra del sistema mediante la realización de un trabajo que sería difícil llevar a cabo de otra forma.No importa qué tan complicada sea una máquina, básicamente es una combinación de máquinas simples.

Las máquinas básicas son: la palanca, el plano inclinado y la prensa hidráulica. Las dos primeras y mediante ligeras modificaciones se obtienen máquinas simples como la rueda y el eje, el torno, la polea, la cuña y el tornillo.

En toda máquina intervienen dos fuerzas: el esfuerzo (E) que se aplica a la máquina y la resistencia (R) ejercida por la máquina.

PLANO INCLINADO

La cantidad de trabajo que se requiere para elevar un cuerpo es la misma, ya sea que se levante en forma vertical o que se utilice un plano inclinado. Sin embargo, el plano inclinado reduce el esfuerzo que se requiere para elevar un cuerpo. Esto se puede expresar de la siguiente manera:

F · d = P · h

Esta expresión indica que la energía se conserva.

Las carreteras en las zonas montañosas están formadas por curvas que tienen una ligera inclinación, lo que permite ascender a las zonas altas sin forzar mucho los motores de los vehículos.

TORNILLO

Una de las aplicaciones más útiles del plano inclinado es el tornillo. La cuerda de un tornillo es un plano inclinado enrollado de manera continua en un cilindro.

Cuando introducimos un tornillo en una pieza de madera o de metal, tenemos que aplicar una gran fuerza debido a que el rozamiento es muy grande. Pero precisamente en eso radica la utilidad del tornillo, ya que la fuerza de rozamiento le permite mantener firmemente unidas dos o más piezas.

CUÑA

La cuña es un plano inclinado doble que se introduce debajo de un cuerpo o dentro de él. La cuña es ideal para separar dos objetos que se mantienen unidos por una gran fuerza. Otros ejemplos de cuñas son: cuchillos, hacha, cincel, etcétera.

PALANCAS

La palanca es una barra rígida que puede girar libremente en un pivote llamado punto de apoyo o fulcro.

En las palancas, la relación entre fuerzas y distancias depende de las posiciones relativas entre el punto de apoyo, la distancia de la resistencia y la distancia del esfuerzo.

RUEDA Y EJE

El torno es una máquina simple que consta de un cilindro cuyo eje descansa sobre dos soportes y está provisto de una manivela.

La cuerda que sostiene al cuerpo (R) que se quiere levantar se enrolla en el cilindro cuando éste gira debido a la fuerza (E) que se aplica en la manivela. Otras aplicaciones de la rueda y el eje son: el volante de un automóvil, la rueda dentada, los pedales de las bicicletas y los engranes.

POLEAS

La polea es una rueda acanalada que gira alrededor de un eje que se apoya en dos soportes. Por la garganta de la rueda pasa una cuerda.

Las poleas se clasifican en fijas y móviles. Las fijas son aquellas que no cambian de sitio, solamente giran alrededor de su propio eje. En cambio, las móviles, además de que giran alrededor de su eje, también se desplazan.

Una polea fija puede ser considerada como una palanca de primer género. En las palancas de primer género el punto de apoyo se encuentra entre los extremos. En la polea fija el punto de apoyo es el eje, y los brazos de palanca son iguales al radio de la rueda de la polea.

En una polea móvil el punto de apoyo es el extremo sujeto de la cuerda; el brazo de la resistencia es igual al radio de la rueda de la polea y el brazo del esfuerzo es igual a dos veces el radio. La polea móvil es una palanca de segundo género.

Una polea fija brinda comodidad al aplicar la fuerza E, pero es mucho menor la fuerza que debemos utilizar cuando se combinan entre sí varias poleas, fijas y móviles, en un dispositivo llamado polipasto, el cual modifica sustancialmente la fuerza necesaria para la realización de un trabajo.

CONVERSIÓN Y CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA

Si en una máquina el trabajo de entrada fuera igual al trabajo de salida, su eficiencia sería del 100%. Pero en toda máquina mecánica la fricción hace que el trabajo de salida sea menor. Esto no viola la ley de la conservación de la energía, ya que la energía no se pierde, sólo se convierte en energía térmica que se dispersa en el medio ambiente.

La razón del trabajo de salida entre el trabajo de entrada en una máquina se expresa en términos de eficiencia de la máquina.