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Mecánica Newtoniana Mecánica Newtoniana Unidad I: Mecánica Newtoniana Juan Carlos Maroto Grado en Física Tema 3: Dinámica. Energías Isaac Newton 1642-1727

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Page 1: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica NewtonianaMecánica Newtoniana

Unidad I: Mecánica Newtoniana

Juan Carlos Maroto

Grado en Física

Tema 3: Dinámica. EnergíasIsaac Newton 1642-1727

Page 2: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

1. Trabajo y Energía2. Energía Cinética. Teorema de las fuerzas vivas.3. Energía Potencial.

Fuerzas conservativasEnergía a partir de UFunción energía potencial

4. Potencia5. Conservación de la Energía Mecánica.

Teorema del Trabajo y Energía

Tema 3: ENERGÍASIndice

Page 3: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

cualidad presente en

ENERGÍA

SISTEMAS FÍSICOS

TRANSFORMACIONES

que les permite realizar

ENERGÍA CINÉTICA

ENERGÍA POTENCIAL

gravitatoria

elástica eléctrica

según el tipo de fuerzas internas es

ENERGÍA MECÁNICA

su s

um

a e

s

TRABAJO

POTENCIA

cuya forma fundamental de cambiar es

la rapidez con la que se realiza es

el tipo más usual es

TRABAJO MECÁNICOde tipo

da cuenta de los cambios de

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN

si no se realiza sobre el sistema

de

FUERZA DE ROZAMIENTO

realiza

TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVASconduce a

cuando actúa

1. TRABAJO Y ENERGÍA

realizasobre

Page 4: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

Si un objeto se mueve una distancia Dx mientras una fuerza constante F está actuando sobre el, el trabajo

hecho por la fuerza es:

xFxFrFW xD=D=D= cos

1. TRABAJO Y ENERGÍA

: ángulo entre la fuerza F y el desplazamiento Dx

Fx es la componente a lo largo del desplazamiento

[W]=1J =1N·mSi la fuerza es paralela (antiparalela)

al desplazamiento, s: W=±Fs

Si la fuerza NO es paralela al desplazamiento, s:

W=Fscosf=FSs

✓ El trabajo depende de la fuerza, del

desplazamiento, y del ángulo relativo entre

ambos.

✓ Si no hay desplazamiento (estático) no hay

trabajo.

✓ Si la fuerza neta es perpendicular a la

dirección de desplazamiento, el trabajo es

nulo.

Page 5: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

✓ El trabajo puede ser positivo o

negativo, según si la componente

de la fuerza en la dirección de

desplazamiento va en el mismo

sentido del desplazamiento o en

sentido contrario.

Fuerza perpendicular al

desplazamiento: Trabajo nulo

Fuerza tiene componente en la

dirección de desplazamiento:

Trabajo de la fuerza positivo

Fuerza tiene componente

opuesta al desplazamiento:

Trabajo negativo

1. TRABAJO Y ENERGÍA

Page 6: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

3 casos especiales:

=0º, =90º, =180º

Si la fuerza NO es constante el trabajo es:

Solo hace trabajo la

componente de F en la

dirección del movimiento

Caso general

Para una fuerza en general:

TRABAJO REALIZADO POR FUERZAS VARIABLES.

✓ Resultado general: El trabajo total es la suma

de trabajos en las direcciones infinitesimales

de desplazamiento.

✓ Puede depender del camino

==f

i

s

ss sdFdsFW

f

i

1. TRABAJO Y ENERGÍA

Page 7: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

xavv

xmaW

maF

xif

xtotal

xx

D+=

D=

=

222

22

2

1

2

1iftotal mvmvW −=

Otra forma de obtener la expresión de la Energía Cinética:

)(2

1 22222

zyx vvvvconvmK ++==

222

2

1

2

1

200if

v

v

v

v

s

s

s

s

s

snetatotal mvmv

vmdvvmds

ds

dvvmdsmadsFW

f

i

f

i

f

i

ff

−======

Definición de Energía Cinética, K≡ EC≡T:

Obtenemos la expresión de la Energía cinética:

WTotal=Kf - Ki

——————————————————————————————————

“Teorema de las Fuerzas Vivas”

2. ENERGÍA CINÉTICA. TEOREMA DE LAS FUERZAS VIVAS

Page 8: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

rdrFrdrFWCC

==21

)()(✓ Para una fuerza conservativa el trabajo realizado

para ir de un punto a a un punto b no depende del

camino recorrido.

✓ Sólo depende del punto inicial a y del final b.

✓ Podemos asignar una función a cada punto del

espacio → La energía potencial.

)()( abFC UUbaW −−=→

✓ Otra definición: En una fuerza conservativa el trabajo realizado en

una trayectoria cerrada es nulo.

3. ENERGÍA POTENCIAL

FUERZAS CONSERVATIVAS

Page 9: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

SOLO para fuerzas conservativas !:

−=−

−=

2

112

s

scons

cons

sdFUU

sdFdU

Definición de Energía Potencial, U≡ EP

)( consfi

s

sconsif FWsdFUU

f

i→−=−=−

✓ El trabajo realizado por una fuerza tiende a reducir su energía potencial.

✓ La Energía Potencial se define en función de la diferencia entre dos puntos, por tanto

no tendrá valores absolutos, mientras no se defina el punto de energía potencial cero.

✓ El valor absoluto de la Energía Potencial es arbitrario. Solo puede medirse cambios

de Energía Potencial.

3. ENERGÍA POTENCIAL

Page 10: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

Campo constante. Energía potencial gravitatoria:

jmgF

−= mgdykdzjdyidxjmgsdFdU =++−−=−= ))·((

0

0

UmgymgdyU

y

grav +==

mgyyU grav =)(

DOS EJEMPLOS:

El campo gravitatorio g cerca de la superficie de la Tierra es uniforme. Si una masa se mueve de

yi a yf, el campo g dará un trabajo positivo:

Por lo tanto:

mgyUU grav += 0

Energía potencial gravitatoria

3. ENERGÍA POTENCIAL

Page 11: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

ikxF

−=

0

2

2

1UkxkxdxU k +==

2

2

1kxU k =

Energía Potencial (elástica) de un muelle:

✓ La energia de un muelle-masa se alterna entre la energía

potencial Uk almacenada en el muelle y la energía cinética K

que tenga la masa en su movimiento.

✓ El diagrama de energías muestra el balance de energía frente a la

posición. La energía potencial presenta una función parabólica

en x ~x2 .

kxdxkdzjdyidxikxsdFdUk =++−−=−= ))·((

3. ENERGÍA POTENCIAL

Page 12: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

En forma infinitesimal

)()( fi

x

x

xFC xUxUUxdFW

f

i

−=D−==

dUdxFdW xFC −==dx

xdUFx

)(−=

La energía potencial toma un valor en cada punto del espacio

dU/dx <0

Fuerza F>0

x

0

Energí

a dU/dx >0

Fuerza F<0

dU/dx =0 Fuerza nula F=0

F F

3. ENERGÍA POTENCIAL

FUERZAS A PARTIR DE U

Page 13: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

3. ENERGÍA POTENCIALENERGÍA POTENCIAL Y EQUILIBRIO

Page 14: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

Se puede generalizar el trabajo en 3D

kz

Uj

y

U

x

UrU ˆˆˆ)(

+

+

=

)()( fi

r

r

FC rUrUUrdFW

f

i

−=D−== )(rUF

−=

ff

ˆ1ˆ1ˆ)(

+

+

=

U

senr

U

rr

r

UrU

Esfericas Cartesianas

donde el gradiente se puede expresar en coordenadas

3. ENERGÍA POTENCIAL

FUNCIÓN ENERGÍA POTENCIAL (3DIM)

Page 15: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

RESUMEN DE TRABAJOS

✓El trabajo realizado por todas las fuerzas se puede expresar como la variación de energía cinética

✓El trabajo realizado por todas las fuerzas conservativas es la variación de la energía potencial con signo -.

✓El trabajo realizado por las fuerzas no conservativas será:

✓ Definimos la energía mecánica como la suma de la cinética y la potencial

KWTotal D=

mccFconsTotalconsFNo EUEUEWWW D=+D=D+D=−=− )(

UWFcons D−=

Page 16: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

4. POTENCIA

El trabajo no menciona el paso del tiempo. Si queremos saber con que rapidez se efectúa el trabajo:

t

WPmedia

D

D=

dt

dWP =

DEF: Potencia media:

DEF: Potencia instantánea:[P]=W (Watt)=1J/1s

1kW=103W

1MW=106W

DW

Dt

i

f

1kWh=P·t=[E]=3,6·106J= 3,6MJ1cv=735,5W

1hp=746W

En mecánica:

mediattmedia vFt

sF

t

WP =

D

D=

D

D=

vFdt

dsF

dt

dWtP tt ===)( vFtP

=)(

———————————————————————————

ó:

DW=Ft Ds

3. POTENCIA

Page 17: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

5. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA

Emec=K + U

K0 + U0 = Kf + Uf

Si todas las fuerzas que actúan sobre un cuerpo

son conservativas la Energía Mecánica se

conserva.

Fno-cons =0 Emec =cte

mconsFno EW D=−

✓ Emec= K + U es una magnitud que se conserva para

partículas que solo están sometidas a fuerzas

conservativas, y por tanto su variación es nula:

DEmec = DK + DU = 0 Kf + Uf = Ki+ Ui.

Page 18: Grado en Física - Cartagena99

Mecánica Newtoniana

fResult=fc +fnc

Si separamos las que actúan sobre una masa, en fuerzas

conservativas y no conservativas:

12ª

2121Re21 )()()(

21

KKfWfWfWVivasFuerzasT

nc

UU

cs −+= =→

→→

✓ La variación de la energía mecánica es el trabajo de fuerza no-conservativas (rozamiento):

DEmec = W f no-cons.

TEOREMA DEL TRABAJO Y LA ENERGÍA

m

fc1

2

fnc

g

12112221 )()()( mmnc EEUTUTfW −=+−+=→

rdfrdfrdf nccs

+=Re

mnc EfW D=)(

4. CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA MECÁNICA

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Mecánica Newtoniana

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