Trabajo

El trabajo es la transferencia de energía mecánica de un objeto a otro. Dado que el trabajo es un movimiento de energía, se mide en las mismas unidades que la energía, julios (J). La definición de trabajo en un contexto de física es bastante diferente a cómo se usa en la vida cotidiana. Se define como sigue:

El trabajo se realiza cuando se aplica una fuerza a un objeto a través de una distancia.

Esto significa que cuando se aplica una fuerza a un objeto a lo largo de una distancia, la energía total del objeto se verá afectada. El objeto se acelerará o desacelerará, lo que resultará en un cambio de su energía cinética (como se ve en la Fig. 1), o tendrá una energía potencial alterada si, por ejemplo, se levantó una cierta altura bajo la fuerza de la gravedad.

Fig. 1. Un lanzador realiza un trabajo sobre una pelota de béisbol para aumentar su energía cinética. Su brazo retrocede lo máximo posible y luego avanza lo máximo posible para maximizar la distancia de aplicación de la fuerza.

El trabajo también se extiende más allá de lo que una persona puede ver físicamente. También puede afectar a las propiedades microscópicas de un sistema, como la temperatura. En 1843, esta idea comenzó a ser explorada por los científicos, y sus resultados condujeron a la formulación de lo que ahora se conoce como termodinámica. Realizar un trabajo en un sistema puede afectar a su energía interna, al igual que añadir calor. Sin embargo, los dos procesos son fundamentalmente diferentes, y pueden ser explorados en la página "calor vs trabajo".

Todos los casos descritos hasta ahora de cómo el trabajo puede afectar a un sistema pueden resumirse en una sola ecuación:

[math]\displaystyle{ W=\Delta K + \Delta U + \Delta E_{th} }[/math]

Esta ecuación muestra que el trabajo ([math]\displaystyle{ W }[/math]) puede cambiar ([math]\displaystyle{ \Delta }[/math]) la energía cinética ([math]\displaystyle{ K }[/math]) de un sistema, su energía potencial ([math]\displaystyle{ U }[/math]), su energía térmica ([math]\displaystyle{ E_{th} }[/math]) o cualquier combinación de las tres.

El trabajo realizado se puede calcular directamente con la siguiente fórmula:

[math]\displaystyle{ W = \vec{F} \cdot \vec{d} }[/math]

en la que

• [math]\displaystyle{ W }[/math] es el trabajo, o el cambio de energía mecánica, medido en julios (J)
• [math]\displaystyle{ F }[/math] es la fuerza medida en newtons (N)
• [math]\displaystyle{ d }[/math] es el desplazamiento del objeto

Las flechas sobre la fuerza y el desplazamiento indican que son vectores. Esto significa que tienen una dirección asociada, lo que tiene importantes implicaciones para el trabajo realizado sobre un objeto. Si ambas direcciones son iguales, como ocurre en la Fig. 1, la energía del sistema aumentará, lo que significa que se ha realizado un trabajo positivo. Si las direcciones son opuestas, como la fuerza aplicada por la fricción y la resistencia del aire a un coche en movimiento, la energía del sistema disminuirá, dando lugar a un trabajo negativo realizado.

En el sentido de la física, el trabajo nunca es algo que tenga un objeto. Es sólo algo que un objeto realiza a otro. El trabajo modifica la cantidad de energía mecánica e interna que poseen los objetos. Cuando se realiza trabajo sobre un sistema u objeto, se le añade energía. Cuando un sistema u objeto realiza trabajo, cede parte de su energía a otra cosa.

Lanzar una pelota significa que una mano aplica una fuerza a medida que el brazo se mueve hacia adelante. Al aplicar una fuerza sobre la pelota a lo largo de esta distancia, la mano está realizando un trabajo sobre la pelota, y la pelota gana energía cinética. Esto es lo que le da velocidad.

Las relaciones matemáticas entre el trabajo total y la energía total se describen mediante el teorema trabajo-energía y la conservación de la energía. Las máquinas simples pueden cambiar la cantidad de fuerza necesaria para mover un objeto, pero la fuerza debe aplicarse a través de una distancia mayor; no cambian la cantidad de trabajo realizado.

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