Otras carreras Energía y fuerza.

[Pola]

Buenos días.

Estoy liado con el asunto de la energía y la fuerza y hay cosas que no entiendo bien. He estado mirando en Wikipedia sobre los distintos tipos de energía y sobre sus definiciones en mecánica newtoniana, relativista y cuántica, pero sigo liado. Igual me podéis ayudar.

Parto de la energía y de su fórmula que me es más facil y asequible: la energía cinética que es igual a 1/2 del producto de la mas por la velocidad al cuadrado.

Supongo un bloque de piedra de 20 toneladas apoyado en el suelo (enería potencial = 0) y que tiene exactamente la misma temperatura que mi cuerpo.

Apoyo mis manos contra él y empiezo a hacer fuerza para desplazarlo. Como no se desplaza ni un milímetro, pienso que a dónde ha ido a parar la energía que he gastado.

Sólo se me ocurre que se transformara en calor, pero estamos a la misma temperatura la piedra y yo. Imagino entonces que los átomos de la zona donde aplico la fuerza, al aumentar la presión (o por las razones que sean) empiezan a moverse más deprisa (aumento de la temperatura) y que en ése aumento de velocidad es en lo que se utiiza mi fuerza. Pero
1. No entiendo muy bien cómo la presión se transforma en aumento de la velocidad, porque no desplazo nada del material ni de sus componentes. Quiero decir que el material es demasiado duro para la poca presión que hago y que no le afecta nada.
2. Si fuese Supermán y tuviera la capacidad de ir aumentando mi fuerza poco a poco, (y si mi supuesto anterior del aumento de la velocidad de las partículas es cierto) entiendo que las partículas sobre las que aplico la fuerza se irían acelerando cada vez más. Bien. De repente llego al límite donde la fuerza es capaz de desplazar el bloque. Y entonces, milagrosamente, ésas partículas aceleradas tienen que parar porque toda la fuerza se transforma de golpe de energía calorífica en energía cinética. ¿No? ¿No es raro? ¿Cómo y por qué se produce ése cambio)

Y finalmente, si no soy Supermás y volvemos al inicio donde aplico la fuerza sin mover la piedra y pienso en términos clásicos, resulta que la fuerza es igual a masa x aceleración. Como la piedra no se mueve, su aceleración es = 0 y por tanto mi fuerza también. ¿Dónde está el error?

Gracias y que tengáis unas buenas vacaciones.

[teclado]

Hola Pola,

Creo que tu confusión proviene de un error de diseño de los animales.

Si no fuera una persona, sino un motor eléctrico, por ejemplo lo que hace la fuerza contra el bloque de 20 toneladas, no habría ningún gasto de energía porque el bloque no se mueve, así como el motor, más allá de la disipación por efecto Joule en los cables. Si el motor fuera superconductor habría 0 inversión de energía; el motor estaría bloqueado contra el bloque y no habría una caída de tensión entre sus bornes, por lo que tampoco habría un gasto energético.

Los músculos de los animales tienen un funcionamiento ligeramente diferente, que hace que se gaste energía por el simple hecho de mantener una fuerza. Las moléculas de actina y miosina ancladas en las membranas de sus células cambian de forma gastando energía (una molécula de ATP). Esto redistribuye las cargas en ellas y hacen que se atraigan, ejerciendo una fuerza. Como la membrana es elástica, aunque la célula en su conjunto no se contraiga, estos pares de moléculas pueden desplazarse entre ellos, ejerciendo una tensión sobre la membrana. Cuando están a una cierta distancia, vuelven a cambiar de forma, redistribuyendo sus cargas a su posición original, y se pierde la fuerza que hacían, restaurándose sus posiciones relativas de nuevo por la elasticidad de la membrana. Para continuar haciendo fuerza, cada par de moléculas de actina y miosina tienen que volver a consumir otra molécula de ATP (energía).

Si me he expresado bien, verás que para ejercer una fuerza, aunque no haya desplazamiento, un músculo necesita estar consumiendo energía química continuamente, que se transforma en calor o en movimiento según las circunstancias. Por eso nos cansamos cuando estamos de pié, y también por eso cuando el músculo se estira no recupera energía. Sin embargo, cuando se trata de un motor más básico, como uno eléctrico, nunca hay inversión de energía si no hay un desplazamiento.

Saludos.

[Pola]

Muchas gracias, Teclado. Muy buena la explicación. Creo que la entiendo. Al menos la que tiene que ver con el empuje de las personas. Lo del motor me cuesta un poco más. Supongo que parte es falta de conocimiento y parte rigidez mental.
Gracias de nuevo y un saludo

[delmar7]

Hola

¿A donde a ido la energía al empujar la piedra que no se mueve? Es verdad que uno siente que gasta energía, la respiración se acelera , se hace más profunda y a veces uno se calienta y suda y después da hambre, entonces si hay gasto de energía y se usa en deformar nuestras fibras musculares, se contraen o tensan e incluso se transforma en calor, que es disipado para mantener la temperatura normal del ser humano.

Respecto a que por no moverse la piedra (no sufrir aceleración ) la fuerza que aplicas es cero, eso no es cierto , lo que sucede es que tu fuerza es contrarrestada por la fuerza de rozamiento que ejerce el suelo, cuanto más pesada la piedra mayor es esta fuerza.

Saludos

[Pola]

Gracias por tu respuesta, Delmar7. Lo que ocurre es que si nos remitimos a las formulas, f=mxa. Como a es cero, f es cero. Por mucho que contrarreste el suelo.

[Richard R Richard]

Gracias por tu respuesta, Delmar7. Lo que ocurre es que si nos remitimos a las formulas, f=mxa. Como a es cero, f es cero. Por mucho que contrarreste el suelo.

No eso no es cierto.
La segunda ley de Newton dice que masa por acelercaion es igual a la resultante de todas las fuerzas aplicadas, la resultante es la suma vectorial de la fuerza aplicada y el rozamiento, el tema es que la la fuerza de rozamiento es pasiva , actuación en caso de querer cambiar la posición y es variable se opone a la fuerza que le aplicas para mover la piedra hasta que alcance un valor límite que es la normal al piso por su coeficiente de fricción. Entonces hasta que no alcanzas ese límite la resultante es nula y por lo tanto la aceleración es nula.
Cuando superas el límite , la piedra comienza a moverse, una vez se mueve el coeficiente de fricción desciende hasta el valor su valor dinámico y con este calculas la aceleración que le puedes dar a la piedra.
La energia consumida en los músculos, aparte de calor y evaporación de la transpiración, deja residuos químicos en los que se ha convertido parte de la energía que ingerimos, se expulsa como residuo.
Sentir cansancio es el indicativo de que debes reponer esa energía, y tener calambres es una respuesta a la presencia de un exceso de químicos residuales que no han sido eliminados.

[javisot20]

Gracias por tu respuesta, Delmar7. Lo que ocurre es que si nos remitimos a las formulas, f=mxa. Como a es cero, f es cero. Por mucho que contrarreste el suelo.

Saludos Pola, el bloque de "20 toneladas" sigue pesando 20 toneladas incluso estando parado contra el suelo, de la misma manera, si una persona empuja el bloque sin llegar a moverlo está ejerciendo fuerza igualmente. La fuerza ejercida por la persona al empujar no puede competir con la fuerza que hace el bloque contra el suelo.

Imagínate una persona de 80 kilos subido al bloque de 20 toneladas parado contra el suelo, tenemos en cuenta la gravedad, el suelo está recibiendo 20080 kilos sin haber desplazamiento alguno.

(Vale la pena mencionar el principio de acción-reacción)

[JCB]

Hola a tod@s.

Suponiendo la situación descrita por Pola, en la que intenta desplazar horizontalmente un bloque de piedra que descansa sobre el suelo, si ejerce una fuerza horizontal $F_p$ contra el bloque, éste ejercerá sobre Pola una fuerza en la misma dirección (horizontal) pero en sentido contrario, y del mismo módulo (acción y reacción). La fuerza ejercida contra el bloque se puede ir incrementando $(F’_p>F_p)$, pero la fuerza que el bloque ejercerá sobre Pola, también será del mismo módulo.

Para que el bloque se empiece a mover, se debe ejercer sobre el bloque una fuerza, como mínimo, igual a la fuerza de rozamiento estático del bloque sobre el suelo (que es la máxima fuerza de oposición al inicio del movimiento que puede ejercer el bloque).

$F_{re}=\mu_emg$

Después de iniciado el movimiento y para continuarlo a velocidad constante, bastaría con que se aplicase sobre el bloque una fuerza igual a la del rozamiento dinámico, $F_{rd}=\mu_dmg$

Saludos cordiales,
JCB.

[Pola]

Pues muchas gracias a todos. Creo que ya lo entiendo. El asunto de la resultante que explica Richard, la fuerza del peso de Javisot y la explicación de las fuerzas de JCB me han aclarado la cuestión.
Un saludo y felices fiestas

[JCB]

Hola a tod@s.

Otra cosa, mediante el teorema de las fuerzas vivas (“el trabajo total de las fuerzas que se ejercen sobre un punto material, es igual a la variación de su energía cinética”), se puede obtener una aproximación de la energía necesaria para iniciar el movimiento del bloque de piedra, adquiriendo una velocidad determinada.

Como la fuerza de rozamiento estático es casi instantánea, propongo un coeficiente de rozamiento intermedio $(\mu)$ entre el estático y el dinámico (de aquí la aproximación).

$\sum{W}=\Delta E_c$

$F_pd-F_rd=\dfrac{1}{2}mv^2$

$W_p=F_pd=\dfrac{1}{2}mv^2+\mu mgd$

Este es el trabajo de la fuerza ejercida por Pola, para iniciar el movimiento del bloque, adquiriendo una determinada velocidad. Evidentemente, y como se ha escrito anteriormente, la energía que consumiría el cuerpo humano de Pola, sería mayor.

La fuerza que debería ejercer Pola, para que el bloque adquiriese una velocidad $v$, sería

$F_p=\dfrac{1}{2d}mv^2+\mu mg$

Nota: esta última expresión, también podría obtenerse aplicando la segunda ley de Newton.

Una vez adquirida la velocidad $v$, bastaría aplicar una fuerza $F’_p=\mu_d mg$ para mantener el movimiento a la velocidad $v$ constante (como indiqué en el mensaje # 8), así que el consumo energético sería menor.

Saludos cordiales,
JCB.

[Pola]

Pues te agradezco mucho tu última explicación. Pero creo que no la sé entender correctamente.
El primer párrafo me confunde, porque pienso que ese trabajo total tiene que ser igual a cero si no hay variación en la energía cinética. Y me hace pensar en mí pregunta original.
La segunda es que tú penúltima fórmula tiene un término que depende de la velocidad que sería igual a cero si no consigo desplazar el bloque y un término constante que sería el único que yo entiendo que podría explicar a donde va mi fuerza pero que no depende en absoluto de la fuerza que se aplica .
Perdona pero me quedo hecho un lío

[JCB]

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El primer párrafo me confunde, porque pienso que ese trabajo total tiene que ser igual a cero si no hay variación en la energía cinética. Y me hace pensar en mí pregunta original.
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Hola a tod@s.

Efectivamente, si el bloque no se mueve, la fuerza que tú haces no realiza trabajo, porque el bloque ejerce sobre ti una fuerza en la misma dirección, sentido contrario, e igual módulo. La fuerza aplicada se anula con la fuerza de rozamiento, no hay trabajo ni tampoco variación de la energía cinética. Pero eso no impide que tu cuerpo haga un consumo energético para realizar esa fuerza.

Te puede ayudar la explicación de la 4ª imagen que aparece en el siguiente enlace, y que relaciona la fuerza de rozamiento con la fuerza aplicada: https://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n

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La segunda es que tú penúltima fórmula tiene un término que depende de la velocidad que sería igual a cero si no consigo desplazar el bloque y un término constante que sería el único que yo entiendo que podría explicar a donde va mi fuerza pero que no depende en absoluto de la fuerza que se aplica .
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Si te refieres a $F_p=\dfrac{1}{2d}mv^2+\mu mg$, como ya he escrito, esta es “La fuerza que debería ejercer Pola, para que el bloque adquiriese una velocidad $v$”. Evidentemente algún bloque de piedra conseguirás mover, aunque quizás no de $20.000\ kg$

Saludos cordiales,
JCB.

[Pola]

Gracias, JCB. Un saludo