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La energía es la capacidad de un sistema para generar cambios en sí mismo o en otros, y se mide en joules (
). El trabajo es una forma de transferir energía mediante una fuerza que produce desplazamiento, cuyo valor depende del ángulo entre ambos. La potencia, medida en watts (
), indica la rapidez con la que se realiza un trabajo o se transforma la energía.
La energía es un concepto amplio y a veces difícil de definir con exactitud, pero muy útil para describir y entender los cambios que ocurren en los sistemas físicos. De forma general, podemos decir:
Para que un sistema experimente cambios (por ejemplo, en su estado de movimiento o en su temperatura), debe intercambiar algún tipo de energía (cederla o recibirla).
Todo sistema que tiene capacidad para provocar cambios en otros sistemas o en sí mismo posee energía de alguna clase.
La unidad en el Sistema Internacional (SI) para medir la energía es el joule (
), cuyo nombre proviene del físico británico del siglo XIX, James P. Joule, que realizó importantes contribuciones al estudio del calor.
Existen diversas formas de energía, como la cinética, potencial, térmica, eléctrica, química, entre otras. A lo largo de tus estudios, irás profundizando en cada una de ellas y verás cómo se relacionan entre sí mediante distintas transformaciones.
Una de las maneras más importantes de transferir energía a un cuerpo (o extraerla de él) es mediante la acción de una fuerza que produce un desplazamiento. A la energía transferida de esta manera se le llama trabajo (
).
Cuando una fuerza 
actúa sobre un cuerpo y este se desplaza una distancia 
(un vector cuya magnitud representa el valor de la distancia recorrida, con una dirección y un sentido alineados con el desplazamiento efectuado), el trabajo se puede calcular como:
donde:
es el módulo de la fuerza aplicada,
es la distancia recorrida en la dirección del desplazamiento,
𝛼 es el ángulo entre la dirección de la fuerza y la del desplazamiento.
Algunos casos particulares para el cálculo del trabajo son:
Fuerza y desplazamiento en la misma dirección (
):
El trabajo es positivo (y máximo) y la fuerza aporta energía al cuerpo (por ejemplo, aumentando su energía cinética).
Fuerza y desplazamiento en sentidos opuestos (
):
El trabajo es negativo (y mínimo) y la fuerza extrae o “quita” energía al cuerpo (como sucede con la fricción o un freno que disminuye la velocidad de un objeto).
Fuerza perpendicular al desplazamiento (
):
El trabajo es cero (nulo); la fuerza no modifica la energía cinética del cuerpo (un ejemplo típico es la fuerza centrípeta en el movimiento circular uniforme).
En esencia, el trabajo es la manera de cuantificar cuánta energía cinética (u otro tipo de energía, según el contexto) se transfiere a un cuerpo a través de una fuerza.
La potencia (
) se define como la rapidez con la que se realiza un trabajo o, dicho de otra forma, la energía transferida o transformada por unidad de tiempo. Matemáticamente:
donde:
es el trabajo (o la energía transformada),
es el tiempo que dura la transferencia de energía.
La unidad de potencia en el Sistema Internacional es el watt (), que corresponde a un joule por segundo:
Por ejemplo, una bombilla (ideal) de 
transforma 
de energía eléctrica en energía luminosa cada segundo. De esta manera, cuanta más potencia tiene un dispositivo, más rápidamente puede realizar trabajo o transformar energía.
1. Un operario empuja un carro con una fuerza constante de 
, paralela al suelo, y lo desplaza 
en línea recta. Calcula el trabajo realizado por la fuerza. ¿Qué sucede si la fuerza y el desplazamiento fueran perpendiculares?
Solución
Del enunciado se deduce que:
El trabajo realizado es:
Entonces, se transmiten de energía al carro (aumenta su energía cinética, si no hay otras fuerzas opuestas). SI la fuerza fuera perpendicular al desplazamiento (
):
No hay transmisión de energía; la fuerza no realiza trabajo en ese caso.
Por lo tanto, se transmiten 
de energía al carro, mientras que si la fuerza fuera perpendicular al desplazamiento no se realiza trabajo.
2. Un esquiador se desliza sobre una superficie nevada. La fuerza de rozamiento que actúa sobre él es de 
y se opone al movimiento. Si el esquiador recorre 
, calcula el trabajo realizado por la fuerza de rozamiento. ¿Qué significado tiene el signo del resultado?
Solución
Del enunciado se deduce que:
El trabajo realizado es:
Por lo tanto, el trabajo es negativo (
), lo que significa que la fuerza de rozamiento extrae (o quita) energía al esquiador (disminuye la energía cinética del conjunto esquiador + esquís).
3. Un obrero levanta una caja de 
ejerciendo una fuerza vertical de 
hasta una altura de 
(suponemos dicha fuerza mayor que el peso para mantener la caja en movimiento uniforme vertical). Calcula el trabajo realizado por la fuerza.
Solución
Del enunciado se deduce que:
El trabajo realizado es:
Por lo tanto, el trabajo es 
, lo que indica que se han transferido de energía a la caja (en este caso, principalmente energía potencial gravitatoria, al elevarla).
4. Una bomba de agua eleva 
litros de agua en 
segundos desde el suelo hasta un depósito situado a de altura. La bomba realiza un trabajo de 
en ese tiempo. Calcula la potencia desarrollada por la bomba. Recuerda que la densidad del agua es 
y un litro de agua es equivalente a 
).
Solución
Hay muchos datos del enunciado que no necesitamos para calcular la potencia. En este caso, nos basta con apuntar:
La potencia se calcula como:
Por lo tanto, la bomba trabaja con una potencia de 
(aproximadamente 
, sabiendo que 
).