4.º de ESORuta de edumaterial
Qué vas a aprender
- Calcular trabajo y potencia distinguiendo fuerza, desplazamiento y tiempo.
- Aplicar energía cinética, potencial y conservación de la energía mecánica.
- Interpretar calor y ondas como mecanismos de transferencia de energía y resolver calentamientos sencillos.
Antes de empezar
- Calcular fuerzas y velocidades.
- Usar unidades del SI.
- Distinguir energía de temperatura.
La energía cambia de forma o se transfiere
La energía describe la capacidad de producir cambios. Un sistema puede almacenarla como energía cinética, potencial u otras formas, y transferirla mediante trabajo, calor o radiación.
Conservar energía no significa conservar siempre energía mecánica: el rozamiento puede transformar parte de ella en energía interna mientras la energía total sigue conservándose.
Trabajo y potencia
- W = Fd cos θ; P = W/t
- El trabajo de una fuerza constante depende de la componente paralela al desplazamiento. Se mide en julios. La potencia mide la rapidez de transferencia y se expresa en vatios.
Energía mecánica
- Ec = ½mv²; Ep,g = mgh
- La energía cinética depende del cuadrado de la velocidad. Cerca de la superficie terrestre, la energía potencial gravitatoria depende del nivel de referencia elegido; las diferencias de energía son las que tienen significado físico.
Conservación mecánica
- Define el sistema y dos estados.
- Fija un nivel cero para la energía potencial.
- Si solo actúan fuerzas conservativas, iguala Ec + Ep entre estados.
- Si hay rozamiento u otra transferencia, incorpora su trabajo o la energía transferida.
- Comprueba que todas las energías estén en julios.
Calor, temperatura y ondas
El calor es energía transferida por diferencia de temperatura, no una sustancia almacenada. Sin cambio de estado, Q = mcΔT; durante un cambio de estado se usa el calor latente correspondiente.
La luz y el sonido transportan energía mediante ondas. El sonido necesita un medio material; la luz electromagnética puede propagarse por el vacío. Transportar energía no implica transportar materia de un punto a otro con la onda.
Velocidad al descender sin pérdidas
Un carrito parte del reposo 7,2 m por encima del valle; toma g = 9,8 m/s².
- mgh se transforma en ½mv².
- La masa se cancela.
- v = √(2gh) = √(2 × 9,8 × 7,2).
v ≈ 11,9 m/s.
Esfuerzo cotidiano no siempre es trabajo mecánico
Sujetar inmóvil una caja realiza trabajo mecánico sobre ella porque cansa.
Si la caja no se desplaza, el trabajo mecánico de esa fuerza sobre la caja es cero.
El organismo consume energía interna, pero la definición de trabajo sobre el objeto exige desplazamiento.
Trabajo, dirección y potenciaPrueba otro caso
¿Cuánto vale el trabajo de una fuerza perpendicular al movimiento?
¿Cuánto trabajo hace una fuerza de 20 N que empuja un cuerpo 4 m en la misma dirección?
Solución accesible sin interacción
Respuesta: Cero — La componente de la fuerza en la dirección del desplazamiento es nula.
El coseno de 90 grados vale cero, así que todo el producto se anula. Es una fuerza que actúa pero no aporta ni quita energía.
Respuesta: 80 J — Fuerza y desplazamiento paralelos dan 20 por 4 julios.
Fuerza por distancia por coseno de cero grados, que vale uno.
Energía mecánica y conservaciónPrueba otro caso
Un péndulo oscila sin rozamiento. Tomando el punto más bajo como cero de energía potencial, ¿qué energía tiene al pasar por él?
Dos cuerpos: uno de 2 kg a 10 m/s y otro de 8 kg a 5 m/s. ¿Cuál tiene más energía cinética?
Solución accesible sin interacción
Respuesta: Toda cinética y ninguna potencial — Tomando el punto bajo como cero de potencial, allí la rapidez y la cinética son máximas.
En los extremos está parado y toda su energía es potencial; abajo va a máxima velocidad y la potencial es cero. La suma de las dos es la misma en cualquier punto del recorrido.
Respuesta: Igual: 100 J cada uno — Cuadruplicar la masa compensa reducir a la mitad la velocidad, que se eleva al cuadrado.
Merece la pena hacer las dos cuentas: ½ × 2 × 100 = 100 J y ½ × 8 × 25 = 100 J. Cuadruplicar la masa compensa justo reducir a la mitad la velocidad, porque la velocidad va al cuadrado y la masa no. Si el segundo fuera a 10 m/s como el primero, tendría cuatro veces más energía, no la misma.
Calor específico y transferenciaPrueba otro caso
El agua tiene un calor específico de 4180 y el hierro de 450, los dos en J/(kg·°C). ¿Qué significa?
Un kilo de agua y un kilo de aceite parten de igual temperatura y absorben la misma energía por segundo, sin pérdidas ni cambios de estado. El aceite tiene menor calor específico. ¿Cuál sube antes el mismo número de grados?
Solución accesible sin interacción
Respuesta: Un kilo de agua necesita unas nueve veces más energía por grado — El calor específico relaciona energía, masa y cambio de temperatura.
El calor específico no dice nada de lo caliente que está algo: dice lo que cuesta calentarlo. Y esa resistencia del agua a cambiar de temperatura es la que hace que el mar suavice el clima de la costa.
Respuesta: El aceite, porque necesita menos energía por cada grado — Con igual masa y aporte, menor calor específico da mayor aumento de temperatura.
Con la misma energía por segundo, la sustancia que necesita menos por grado sube más deprisa. Es lo que se nota friendo: el aceite llega a estar quemando en un minuto, y el agua tarda mucho más en hervir.
Trabajo, energía y calentamiento
Una fuerza paralela de 120 N mueve 6,0 m una caja de 3,0 kg inicialmente en reposo, sin pérdidas, en 4,0 s. Calcula trabajo, potencia media y rapidez final. Después calcula el calor para elevar 0,20 kg de agua 5,0 °C con c = 4180 J·kg⁻¹·°C⁻¹.
Solución accesible sin interacción
- Demuestra que puedes calcular trabajo y potencia distinguiendo fuerza, desplazamiento y tiempo.
- Demuestra que puedes aplicar energía cinética, potencial y conservación de la energía mecánica.
- Demuestra que puedes interpretar calor y ondas como mecanismos de transferencia de energía y resolver calentamientos sencillos.
Respuesta: 720 J; 180 W; 21,9 m/s; 4180 J.
W = Fd, P = W/t, W = ΔEc = 1/2 mv² y Q = mcΔT. La rapidez se redondea a una décima.
Compruébalo ahora
Una fuerza paralela de 200 N desplaza una carga 5,0 m en 4,0 s. Calcula trabajo y potencia media.
Ver solución explicada
Respuesta: W = 1000 J; P = 250 W.
W = Fd = 200 × 5,0 = 1000 J; P = W/t = 1000/4,0 = 250 W.
Un objeto parte del reposo y desciende 5,0 m sin rozamiento. Calcula su rapidez final con g = 9,8 m/s².
Ver solución explicada
Respuesta: 9,9 m/s aproximadamente.
mgh = ½mv²; v = √(2gh) = √98 = 9,9 m/s. La masa se cancela.
¿Qué calor necesita 0,50 kg de agua para aumentar 10,0 °C? Usa c = 4180 J·kg⁻¹·°C⁻¹ y supone que no cambia de estado.
Ver solución explicada
Respuesta: 20 900 J, es decir, 20,9 kJ.
Q = mcΔT = 0,50 × 4180 × 10,0 = 20 900 J.
Alineación curricular y fuentes
- Física y Química · cuarto curso · bloque C: energía mecánica, trabajo, calor, potencia, luz y sonido como ondas que transfieren energía. · Real Decreto 217/2022, currículo básico de ESO
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