El trabajo

El trabajo que realiza una fuerza constante sobre un cuerpo que se desplaza es $W = \vec{F} \cdot \vec{d} = F \cdot d \cdot \cos \alpha$, donde $\alpha$ es el ángulo que forman la fuerza y el desplazamiento. Sin hacer cálculos, indica si el trabajo es positivo, negativo o nulo en cada caso, justificándolo con el valor de $\alpha$:

1. a) La fuerza de tracción de un tractor que arrastra un remolque por un camino horizontal.
2. b) La fuerza de fricción que se opone al avance del remolque.
3. c) La fuerza normal que el suelo ejerce sobre el remolque.
4. d) La fuerza con la que un obrero sujeta sobre su hombro una caja que está en reposo.

Un operario de una bodega empuja una tarima con una fuerza horizontal constante de $250\ \text{N}$ y la desplaza $12\ \text{m}$ por el suelo en línea recta.

1. a) ¿Qué ángulo forma la fuerza con el desplazamiento?
2. b) Calcula el trabajo que realiza el operario.

Una persona pasea a su perro tirando de la correa con una fuerza constante de $80\ \text{N}$, que forma $60^\circ$ con la horizontal, durante un tramo recto de $25\ \text{m}$ ($\cos 60^\circ = 0.5$), como se muestra en la figura.

Calcula el trabajo que realiza.

En el laboratorio, un carrito sobre una mesa de aire se desplaza $\vec{d} = (5, 0)\ \text{m}$ mientras sobre él actúa una fuerza constante $\vec{F} = (6, 8)\ \text{N}$, como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el trabajo mediante el producto escalar $W = \vec{F} \cdot \vec{d} = F_x \cdot d_x + F_y \cdot d_y$.
2. b) Explica por qué la componente vertical de la fuerza no contribuye al trabajo.

Colocas una caja de herramientas de $10\ \text{kg}$ sobre un estante situado a $2.5\ \text{m}$ del suelo (toma $g = 9.8\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula el peso de la caja.
2. b) Calcula el trabajo que realiza el peso durante la subida. Recuerda que el peso apunta hacia abajo y el desplazamiento, hacia arriba.
3. c) ¿Qué trabajo realizas tú contra el peso, como mínimo?

Un viajero empuja su carretilla de maletas por la terminal de un aeropuerto, en línea recta y sobre un piso horizontal.

1. a) Razona, usando la expresión $W = F \times d \times \cos \alpha$, por qué el trabajo de la fuerza normal y el trabajo del peso son nulos durante el trayecto.
2. b) Si el viajero ejerce una fuerza horizontal de $18\ \text{N}$ durante $100\ \text{m}$, ¿qué trabajo realiza?

Al arrastrar un sofá $8\ \text{m}$ por el suelo de una sala, la fuerza de fricción cinética vale $35\ \text{N}$.

1. a) ¿Qué ángulo forma la fuerza de fricción con el desplazamiento?
2. b) Calcula el trabajo que realiza la fricción e interpreta su signo.

En una gymkana, un alumno arrastra una caja de libros $15\ \text{m}$ por el suelo horizontal del gimnasio empujando con una fuerza horizontal de $120\ \text{N}$, mientras el rozamiento cinético se opone con $40\ \text{N}$, como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el trabajo que realiza el alumno.
2. b) Calcula el trabajo del rozamiento (recuerda que es negativo: $\alpha = 180^\circ$).
3. c) Calcula el trabajo del peso y el de la normal, justificando sus valores.
4. d) Halla el trabajo neto sobre la caja.

Para cargar una refrigeradora de $60\ \text{kg}$ en una camioneta se empuja por una rampa de $3\ \text{m}$ que forma $20^\circ$ con la horizontal ($\sen 20^\circ \approx 0.34$; toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula la componente del peso paralela a la rampa.
2. b) Calcula el trabajo que realiza el peso durante la subida.
3. c) ¿Qué trabajo mínimo, contra esa componente del peso, debe realizar quien empuja?

Sobre una pieza de una máquina-herramienta actúa una fuerza constante $\vec{F} = (15, -8)\ \text{N}$ mientras la pieza se desplaza $\vec{d} = (4, 2)\ \text{m}$, como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el trabajo mediante el producto escalar $W = \vec{F} \cdot \vec{d} = F_x \cdot d_x + F_y \cdot d_y$.
2. b) Comprueba que la componente $F_y$ realiza un trabajo negativo e interpreta qué significa físicamente ese signo.

Un musher tira del trineo de su equipo con una cuerda que forma $37^\circ$ con la horizontal, ejerciendo una fuerza constante de $100\ \text{N}$ durante $50\ \text{m}$ ($\sen 37^\circ \approx 0.6$; $\cos 37^\circ \approx 0.8$). La fricción con la nieve se opone con $30\ \text{N}$.

1. a) Calcula el trabajo que realiza el musher.
2. b) Calcula el trabajo de la fricción.
3. c) Halla el trabajo neto sobre el trineo.

Una grúa de obra baja una viga de $500\ \text{kg}$ desde $8\ \text{m}$ de altura hasta el suelo, con velocidad constante (toma $g = 9.8\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula el trabajo que realiza el peso durante la bajada.
2. b) Calcula el trabajo que realiza la tensión del cable.
3. c) ¿Cuánto vale el trabajo neto? Relaciónalo con el hecho de que la velocidad sea constante, usando el teorema del trabajo y la energía cinética.

Una caja de $25\ \text{kg}$ parte del reposo sobre el suelo horizontal de una bodega, donde el coeficiente de fricción cinético es $\mu = 0.2$. Se la empuja con una fuerza horizontal constante de $100\ \text{N}$ durante $12\ \text{m}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula la fuerza de fricción cinética, $F_{roz} = \mu \times N$, teniendo en cuenta que en un suelo horizontal la normal es $N = m \times g$.
2. b) Calcula el trabajo de cada una de las fuerzas (empuje, fricción, peso y normal) y el trabajo neto.
3. c) Aplica el teorema del trabajo y la energía cinética para hallar la velocidad de la caja al final de los $12\ \text{m}$.

El teorema del trabajo y la energía cinética (también llamado teorema de las fuerzas vivas) establece que el trabajo neto realizado sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética: $W_{neto} = \Delta E_c = \frac{1}{2} \times m \times v^2 - \frac{1}{2} \times m \times v_0^2$. Una bola de demostración de $2\ \text{kg}$ aumenta su velocidad de $3\ \text{m/s}$ a $5\ \text{m/s}$ sobre una mesa de aire.

1. a) Calcula su energía cinética inicial y su energía cinética final.
2. b) ¿Cuánto vale el trabajo neto realizado sobre la bola?

Un carro de $1200\ \text{kg}$ acelera desde el reposo hasta $108\ \text{km/h}$ al incorporarse a una carretera de varios carriles.

1. a) Expresa la velocidad final en $\text{m/s}$.
2. b) Calcula la variación de la energía cinética del carro.
3. c) ¿Qué trabajo neto han realizado las fuerzas que actúan sobre el carro? Exprésalo en $\text{kJ}$.

Un carro de $1000\ \text{kg}$ que circula a $20\ \text{m/s}$ frena hasta detenerse en una distancia de $50\ \text{m}$, en un tramo horizontal.

1. a) Calcula la variación de la energía cinética durante el frenado.
2. b) Aplicando el teorema de las fuerzas vivas, halla el trabajo de la fuerza neta de frenado.
3. c) ¿Cuánto vale, en promedio, esa fuerza neta de frenado? Indica su sentido.

Un carro de $1000\ \text{kg}$ circula a $20\ \text{m/s}$ por una carretera horizontal y bloquea las ruedas en un frenazo de emergencia. El coeficiente de rozamiento entre las llantas y el asfalto es $\mu = 0.5$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula la fuerza de rozamiento durante el frenazo.
2. b) Aplica el teorema del trabajo y la energía cinética para calcular la distancia que recorre hasta detenerse.
3. c) Razona, a partir de la expresión obtenida, qué le ocurre a la distancia de frenado si la velocidad inicial se duplica: ¿se duplica también?

En una pista de hielo se lanza un disco de masa $m$ con velocidad inicial $v_0 = 10\ \text{m/s}$, y se desliza en línea recta hasta detenerse por la fricción ($\mu = 0.25$; toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Escribe la expresión del trabajo de la fricción y, aplicando el teorema del trabajo y la energía cinética, obtén la distancia de parada $d$ en función de $v_0$, $\mu$ y $g$.
2. b) Calcula numéricamente esa distancia.
3. c) Razona, a partir de la expresión obtenida, si la distancia de parada depende de la masa del disco. ¿Qué implicación práctica tiene este resultado para la seguridad vial?

Se sube un bloque de $10\ \text{kg}$ por un plano inclinado $30^\circ$ sin fricción, tirando con una fuerza $\vec{F}$ paralela al plano, de modo que el bloque asciende con velocidad constante a lo largo de $5\ \text{m}$ ($\sen 30^\circ = 0.5$; toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el valor de $F$ para que la velocidad sea constante.
2. b) Calcula el trabajo de cada fuerza: la fuerza aplicada, el peso y la normal.
3. c) Halla el trabajo neto y explica, con el teorema del trabajo y la energía cinética, por qué ese resultado era de esperar.

En una mesa de aire del laboratorio, un disco de $4\ \text{kg}$, inicialmente en reposo en el punto $A(1, 2)$, se desplaza hasta el punto $B(9, 5)$ mientras una fuerza constante $\vec{F} = (6, 8)\ \text{N}$ actúa sobre él (las coordenadas están en metros), como se muestra en la figura.

1. a) Determina el vector desplazamiento $\vec{d} = \vec{AB}$.
2. b) Calcula el trabajo realizado por la fuerza mediante el producto escalar $W = \vec{F} \cdot \vec{d}$.
3. c) Como el rozamiento es despreciable, ese trabajo es el trabajo neto: aplica el teorema del trabajo y la energía cinética y calcula la velocidad del disco al llegar a $B$.

Un operario sube una caja de $25\ \text{kg}$ por una rampa de $20\ \text{m}$ que forma $37^\circ$ con la horizontal, tirando con una cuerda paralela a la rampa y con velocidad constante ($\sen 37^\circ \approx 0.6$; $\cos 37^\circ \approx 0.8$; coeficiente de rozamiento $\mu = 0.25$; toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula la normal que ejerce la rampa y la fuerza de rozamiento.
2. b) Calcula la fuerza con la que tira el operario.
3. c) Calcula el trabajo de cada fuerza (tirada, peso, rozamiento y normal) y comprueba que el trabajo neto es nulo. ¿Por qué tenía que serlo?

La cabina de un elevador con sus ocupantes tiene una masa de $600\ \text{kg}$. Arranca desde el reposo y sube $12\ \text{m}$ con una aceleración constante de $1.2\ \text{m/s}^2$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula la fuerza que ejerce el cable aplicando la segunda ley de Newton: $T - m \times g = m \times a$.
2. b) Calcula el trabajo que realiza el cable y el que realiza el peso durante esos $12\ \text{m}$.
3. c) Halla el trabajo neto y, con el teorema del trabajo y la energía cinética, la velocidad de la cabina al cabo de los $12\ \text{m}$. Comprueba el resultado con la cinemática: $v^2 = 2 \times a \times h$.

Un bombero de $80\ \text{kg}$ con su equipo sube por una escalera de incendios desde el suelo hasta una terraza situada $18\ \text{m}$ más arriba (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$).

1. a) Calcula el trabajo que realiza el peso durante la subida.
2. b) Calcula el trabajo que realiza el bombero contra el peso.
3. c) Si en lugar de la escalera hubiera subido por una rampa más larga hasta la misma terraza, ¿cómo cambiaría ese trabajo? Justifícalo.

Una cabina de teleférico con sus pasajeros tiene una masa total de $800\ \text{kg}$. En el trayecto de ida sube desde la estación base, a $1200\ \text{m}$ de altitud, hasta la estación cima, a $1750\ \text{m}$. Después desciende parcialmente hasta una estación intermedia situada a $1550\ \text{m}$ (toma $g = 10\ \text{m/s}^2$), como se muestra en la figura.

1. a) Calcula el trabajo que realiza el peso durante la subida.
2. b) Calcula el trabajo que realiza el peso durante la bajada parcial.
3. c) Calcula el trabajo total del peso en todo el recorrido y comprueba que solo depende del desnivel neto entre el punto de partida y el de llegada. ¿Qué propiedad de la fuerza gravitatoria pone de manifiesto este resultado?