Trabajo en sentido físico
En el lenguaje cotidiano, “trabajo” es cualquier esfuerzo. En física es algo más preciso: una fuerza realiza trabajo cuando desplaza su punto de aplicación en la dirección de la fuerza. Es la forma de medir la energía que una fuerza transfiere a un objeto. La potencia indica lo rápido que se hace ese trabajo.
Las fórmulas
Trabajo: W = F × d × cos α (julios)
Potencia: P = W ÷ t (vatios)
- F: fuerza en newtons.
- d: desplazamiento en metros.
- α: ángulo entre la fuerza y el desplazamiento.
- t: tiempo en segundos.
Ejemplo resuelto
Empujas un carro con una fuerza de 200 N a lo largo de 10 m, en la misma dirección del movimiento, durante 20 s:
- Trabajo: 200 × 10 × cos 0° = 2000 J, unas 0,48 kcal.
- Potencia: 2000 ÷ 20 = 100 W.
- En caballos de vapor: 0,136 CV.
El papel del ángulo
| Ángulo | cos α | Trabajo |
|---|---|---|
| 0° | 1 | Máximo: fuerza y movimiento en la misma dirección |
| 30° | 0,87 | 87 % del máximo |
| 60° | 0,5 | La mitad |
| 90° | 0 | Nulo: la fuerza es perpendicular |
| 180° | −1 | Negativo: la fuerza frena, como el rozamiento |
Si arrastras una maleta tirando del asa inclinada, solo la parte horizontal de la fuerza hace trabajo útil.
Ejemplos de potencia
| Situación | Potencia aproximada |
|---|---|
| Persona subiendo escaleras a buen ritmo | 200 a 400 W |
| Ciclista aficionado en llano | 100 a 200 W |
| Ciclista profesional en un puerto | 400 a 450 W durante 20 minutos |
| Taladro | 500 a 800 W |
| Coche utilitario | 50 a 100 kW (70 a 135 CV) |
Unidades
- Julio (J): 1 newton a lo largo de 1 metro.
- Kilocaloría (kcal): 4184 J. Las kilocalorías de los alimentos son las mismas.
- Kilovatio hora (kWh): 3,6 millones de julios, la unidad de la factura de la luz.
- Vatio (W): 1 julio por segundo.
- Caballo de vapor (CV): unos 735,5 W, el que aparece en las fichas de los coches en España.
- Horsepower (hp): unos 745,7 W, el anglosajón.
El caballo fiscal (CVF) es distinto: es una unidad administrativa que se calcula a partir de la cilindrada y sirve para el impuesto de vehículos de tracción mecánica.
Trabajo sin movimiento
Sostener una bolsa pesada sin moverla cansa, pero la fuerza no hace trabajo sobre la bolsa: no hay desplazamiento. Los músculos sí gastan energía, porque sus fibras se contraen y relajan continuamente para mantener la postura. Lo mismo pasa al llevar una caja en horizontal: la fuerza que la sostiene es vertical y el desplazamiento horizontal.
El rendimiento
Ninguna máquina convierte toda la energía en trabajo útil. Un motor eléctrico tiene un rendimiento del 85 al 95 %; un motor de gasolina, de un 25 a un 35 %; el cuerpo humano, de un 20 a un 25 %. El resto se pierde como calor.