POTENCIA

La potencia se define como “la rapidez con la que se efectúa un trabajo”. Al igual que el trabajo es una cantidad escalar, cuya unidad de medida en el sistema internacional es el Watt (W) o el kilo Watt (kW).
1W=1 J/s

Si se realiza un trabajo ∆W en un intervalo de tiempo ∆t el trabajo medio efectuado por unidad de tiempo se conoce como potencia media y su módulo es:

P_med= ∆W/∆t

La rapidez con la que se efectúa el trabajo podría no ser constante, en este caso podemos definir la potencia instantánea P como:

P= lim┬(∆t→0)⁡〖∆W/∆t= dW/dt〗

Otra unidad que se utiliza para medir la potencia es el caballo de fuerza (hp):

1 hp=550 ft∙lb/s=33,000 ft∙lb/min

1 hp=746 W=0.746 kW

El Watt es una unidad común de potencia eléctrica; una bombilla de 100 W convierte 100 J de energía eléctrica en luz y calor cada segundo. Pero los watts no son inherentemente eléctricos, una bombilla podría especificarse en términos de caballos de fuerza así como algunos fabricantes de autos especifican la potencia de sus máquinas en kilo watts.
Las unidades de potencia pueden servir para definir nuevas unidades de trabajo o energía. El kilowatt-hora (kWh) es la unidad comercial usual de la energía eléctrica. Un kWh es el trabajo realizado en una hora cuando la potencia es de un kW:

1kWh= (〖10〗^3 J/s)(3600 s)=3.6 × 〖10〗^6 J=3.6 MJ

La potencia también puede ser considerada como media e instantánea:

P_med= (F_s ∆s)/∆t= F_(⃓⃓) ∆s/∆t= F_(⃓⃓) v_med

P= F_(⃓⃓)∙v

Donde v es la magnitud de la velocidad instantánea. Esta ecuación también se puede expresar en términos del producto escalar:

P= F ⃗∙v ⃗

Ejemplo:
Una motocicleta logra una potencia de 160 hp cuando se desplaza a una velocidad de 220 km/h (61.11 m/s). Determine la fuerza de empuje que desarrolla la máquina.

Desarrollo:

220 hp((0.746 kW)/(1 hp))=164.12 kW

164.12 kW=164.12 ×〖10〗^3 □(J/seg)=164.12 × 〖10〗^3 □((N∙m)/seg)

P=F∙v

F= (164.12 × 〖10〗^3 □((N∙m)/seg))/(61.11 □(m/s))

F=2.68 kN

TRABAJO Y ENERGÍA CINÉTICA

Cuando un objeto se desplaza de un lugar a otro, producto del trabajo aplicado, se logra un cambio en su aceleración, de forma que el aumento en la aceleración es directamente proporcional al incremento de la fuerza aplicada.

Estas observaciones pueden hacerse cuantitativas mediante un sencillo análisis: Suponga que una partícula se mueve a lo largo del eje x en dirección (+x) gracias a la aplicación de una fuerza de magnitud constante F. En este caso, la aceleración de la partícula será constante y se puede determinar mediante la segunda ley de Newton F=m∙a_x.
Supongamos que la rapidez cambia de v_1 a v_2 mientras la partícula sufre un desplazamiento: s= x_2-x_1
Debido a que se trata de aceleración constante se puede utilizar la fórmula:

v_x^2=v_0x^2+2a_x (x-x_0)

Sustituyendo:

v_2^2=v_1^2+2a_x s

a_x=(v_2^2-v_1^2)/2s

Al multiplicar esto por m y sustituir 〖ma〗_x, por la fuerza neta F, obtenemos:

F= 〖ma〗_x=m (v_2^2-v_1^2)/2s

Fs= 1/2 〖mv〗_2^2 - 1/2 〖mv〗_1^2

El producto Fs es el trabajo efectuado por la fuerza neta F y por tanto es igual al trabajo total W_tot efectuado por todas las fuerzas que actúan sobre la partícula. Llamamos a la cantidad 1/2 〖mv〗^2 la energía cinética (K) de la partícula.

K= 1/2 〖mv〗^2

La energía cinética es una cantidad escalar ya que no depende de la dirección del movimiento de la partícula, por ejemplo, un auto que se desplaza con una rapidez de 20 m⁄seg hacia el norte, tiene la misma energía cinética que si se desplazara con la misma rapidez hacia el sur.
Por otra parte, se dice que: el trabajo efectuado por la fuerza neta sobre una partícula es igual al cambio de energía cinética de la partícula.
A este enunciado se le conoce como “Teorema de Trabajo y Energía”, y su módulo es:

W_tot= K_2-K_1= ∆K

Ejemplo: Un vehículo de 1800 kg se desplaza a una velocidad de 35 m/seg. Calcule la energía cinética:

Desarrollo:

K= 1/2 〖mv〗^2

K= 1/2 (1800 kg)(35 □(m/seg))

K=31.5 kJ

TRABAJO

El trabajo tiene una definición precisa. Al utilizar esa definición, descubriremos que, en cualquier movimiento, por complicado que sea, el trabajo total realizado sobre una partícula por todas las fuerzas que actúan sobre ella es igual al cambio de su energía cinética: una cantidad relacionada con la rapidez de la partícula.

Imagine que el bulldozer empuja una gran cantidad de tierra (consideremos para este ejemplo que la fricción no es importante), estará de acuerdo que a medida que se aleja del punto de partida (al cual conocemos como punto de referencia), se describe una trayectoria o recorrido durante el cual la fuerza con la que se empuja actúa en todo momento. Ahora bien, utilizando este ejemplo - y las observaciones que del mismo se derivan - y considerando, para fines prácticos, que la fuerza es constante, podemos deducir el módulo de trabajo, el cual se define como: el resultado de una fuerza constante que actúa en dirección del desplazamiento, es decir, “el producto del magnitud F de la fuerza y la magnitud s de la distancia recorrida”.

W=F∙s

Cuando la fuerza que actúa sobre el cuerpo presenta un ángulo con respecto a la dirección del movimiento, se debe tomar en cuenta que el trabajo es el producto de dos componentes, por tanto:

W=(F∙d)cosθ

Ejemplo:
Sobre la corona de un pistón se ejerce una fuerza de 1500 lb. Considere que la fuerza es constante y el área sobre la cual actúa es 9.62〖in〗^2. Determine:
La cantidad de trabajo sobre el pistón cuando éste se desplaza una distancia de 0.041 ft y el ángulo con respecto a la línea de desplazamiento es 10°.
La cantidad de trabajo sobre el pistón cuando éste se desplaza una distancia de 1.10 ft y el ángulo con respecto a la línea de desplazamiento es 40°.
Desarrollo:

W_1=(1500 lb)(0.042 ft)∙cos10°=60.56 ft∙lb
W_2=(1500 lb)(0.10 ft)∙cos 40°=114.9 ft∙lb

El trabajo total realizado quedaría determinado por:

W_T=W_2-W_1
W_T=114.9 ft∙lb-60.56 ft∙lb=54.34 ft∙lb

En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de fuerza es el Newton y la de distancia es el metro, de tal manera que:

(1 Newton)(1 metro)=1 Joule

1J=1 N∙m

En el sistema británico la unidad de fuerza es la libra y la de distancia es el pie, de tal manera que:

1 J=0.7376 ft∙lb
1 ft∙lb=1.356 J

LA FÍSICA EN LA INGENIERÍA

La física es una ciencia experimental, lo que quiere decir que cada resultado puede ser comprobado mediante la experimentación y en cada caso se obtendrán los mismos efectos. La física estudia las propiedades y el comportamiento de la materia, la energía, el tiempo y el espacio, así como sus interacciones entre sí. Las ramas de estudio de la física son muchas, pero podemos destacar a la mecánica, y la electricidad como áreas de intervención activa dentro de la ingeniería.
Muchos términos que se manejan en ingeniería no son del todo desconocidos al estudiante. En este sentido, podemos mencionar las palabras “energía”, “trabajo”, “presión” y “temperatura” como ejemplo, y es muy probable que el lector tenga una idea de lo que cada una de ellas significa puesto que las ha utilizado en innumerables ocasiones. Sin embargo, aplicar cada concepto de forma adecuada, es algo que se logra, solamente, cuando son asimilados en su totalidad.
De todos los conceptos que el lector puede tener en mente, la ley o principio de la conservación de la energía es, con toda seguridad, uno de los pocos que no le representa mayor problema, ya que es simple y muy comprensible: “la energía es una cantidad que puede convertirse de una forma a otra pero que no puede crearse o destruirse”, dicho de otra forma, “la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma”. Esta sentencia, tantas veces citada a lo largo de una vida de estudios, comienza a adquirir sentido cuando la relacionamos con otros conceptos que también nos pueden resultar familiares, tal es el caso del trabajo.

INGENIERO

La palabra ingeniero proviene del latín “ingenium”, que se entiende como el carácter innato o rasgos psíquicos que han sido engendrados en el interior de la persona, también se interpreta como talento. En el ejército romano, un “ingenium” era una máquina de guerra, producto del ingenio humano. En el bajo latín aparece la palabra “ingeniarius” e “ingeniator”, que hacen referencia al soldado especializado que conoce y maneja una máquina de guerra. El término es el origen del vocablo francés “ingénieur”, mismo que deriva en el inglés “engineer”, éste último se utilizó para nombrar a la persona que operaba la máquina de vapor (desde James Watt, quien fue el primer ingeniero) y las locomotoras. Muchas veces el término “engineer” es traducido como “hombre máquina” o “maquinista”, es decir, “el que conoce de máquinas”.