Comencemos por un ejemplo típico para presentar este tema: ¿cómo subimos las escaleras? De hecho hay muchas formas de subir las escaleras, pero vamos a concentrarnos en las siguientes:
* Subir a ritmo lento escalón por escalón
* Subir corriendo y pasando 2 escalones por vez
¿Cuál es la primer conclusión que podemos sacar? Que si subimos corriendo tardaremos menos tiempo.
Ahora bien, también podemos preguntarnos (una de las respuestas es la correcta):
1) El trabajo realizado para subir la escalera caminando o corriendo ¿es el mismo?
a. Si, porque la distancia recorrida es la misma.
b. No, porque notamos una fatiga mayor si subimos corriendo.
2) El desgaste de energía en ambos casos, relacionado con el trabajo físico ¿es el mismo?
a. Si, porque subimos la misma altura.
b. No, porque no tiene nada que ver el trabajo mecánico realizado con el esfuerzo físico.
3) La velocidad asociada en cada caso ¿es la misma?
a. No, porque recorremos la misma distancia pero con distintos tiempos.
b. Si, porque llegamos al mismo punto al final.
4) Si subimos con una mochila cargada, el trabajo realizado ¿será el mismo?
a. No, el trabajo realizado no es el mismo porque es distinto el peso.
b. Si, el trabajo mecánico es el mismo, pero el esfuerzo es distinto.
Una vez que respondamos correctamente todas las preguntas anteriores podemos concluir que de todas las posibilidades que tenemos para las transformaciones físicas, no importa tanto la cantidad de trabajo que se realiza o cuánto varía la energía de un sistema, sino más bien, el tiempo implicado para ese cambio, o con qué velocidad ocurre.
Si ahora comparamos una máquina que efectúa el mismo trabajo que otra, podemos preguntarnos:
- ¿lo realiza en menor tiempo? Esto nos conduce al concepto de “Potencia mecánica”.
- ¿con menor o mayor consumo de combustible? Esto nos conduce al concepto de “Rendimiento mecánico”.
Potencia mecánica
Cuando definimos el concepto de trabajo no tuvimos en cuenta el tiempo necesario para realizarlo. En las aplicaciones prácticas (especialmente las que tienen que ver con la ingeniería, los mecanismos, las máquinas, e incluso en la antigüedad cuando se hablaba de trabajo realizado por animales), es muy importante conocer la rapidez con la cual se realiza el trabajo.
La potencia desarrollada por un animal, una persona o una máquina, es igual (ver las distintas formas de expresarlo):
- a la cantidad de trabajo que puede realizar por unidad de tiempo;
- al cociente entre el trabajo realizado y el tiempo empleado en efectuarlo;
- a la magnitud escalar que expresa la cantidad de energía transferida (producida o consumida) por unidad de tiempo;
- al trabajo que realiza una fuerza durante el tiempo de aplicación de la misma.
Al ser el trabajo y el tiempo magnitudes escalares, también lo será la potencia.
P = W/t ó P = ∆E/∆t
donde P: Potencia [watt, w]
W: Trabajo [Joule, J]- E: Energía [Joule, J]
t: Tiempo [seg]
Como podemos observar, la unidad usada en el Sistema Internacional para medir potencia es el watt (no confundir con la W de trabajo, ni confundir la P de potencia con peso –mantenemos esta simbología porque es la que estaban utilizando hasta ahora-) y representa el trabajo de un joule realizado en un segundo. (En honor al escocés James Watt, 1736-1819, famoso por una modificación que realizó a la máquina de vapor). Sin embargo, todavía se emplean las siguientes unidades prácticas: el caballo de fuerza (H.P.) y el caballo de vapor (C.V.)
Las equivalencias son las siguientes: 1 H.P. ≈ 746 watts y 1 C. V. ≈ 736 watts. [1]
También es necesario emplear múltiplos de la unidad de potencia –ya que ésta es muy pequeña-, para ello se utilizan los prefijos pertenecientes al SI que fija oficialmente la Oficina Internacional de Pesos y Medidas (Bureau International des Poids et Mesures).
Tabla de múltiplos de la unidad de potencia
Unidad (Watt) = 1 W
1 KW (Kilo Watt) = 1.000 W
1 MW (Mega Watt) = 1.000.000 W
1 GW (Giga Watt) = 1.000.000.000 W
1 TW (Tera Watt) = 1.000.000.000.000 W = 1 billón W
No confundir KW y KWh, ya que este último es una unidad de energía (buscar equivalencia con J)
[1] Notas aclaratorias:
Cuando vamos a la verdulería y pedimos 3 kilogramos de papas, a priori tenemos una idea del esfuerzo necesario para transportar el bolso, y del volumen aproximado que ocupará. Lo mismo cuando decimos que un camión transporta 25 toneladas de cereal, o la toma diaria de un jarabe es de 10 mililitros.
Pero cuando hablamos de potencia mecánica todavía se nos hace difícil materializarla (por decirlo de alguna manera) y no imaginamos que tan “pequeña” o “grande” será. Para ello nada mejor que trabajar un poco con las definiciones y poner algunos valores de ejemplo.
Primeramente consideremos el caso de una naranja (digamos que tenga un peso de 210 gf), entonces ¿que potencia desarrollamos para levantarla desde el suelo hasta medio metro de altura, en 1 segundo? Por definición:
P = W/t = F.d/t = m.g.h/t = 0,21 Kg . 9,81 m/seg2 . 0,5 m / 1 seg = 1,03 w ≈ 1 w
O sea que para levantar una naranja mediana desde el suelo hasta medio metro de altura en un segundo, desarrollamos una potencia de un watt.
El caballo de potencia, también conocido como caballo de fuerza, es una unidad de potencia utilizada en el Sistema Anglosajón de Unidades. Se simboliza HP (del término inglés «Horse Power») y comenzó a utilizarlo J. Watt en 1782, quien estimó que un caballo podía levantar 330 libras de peso a una altura de 100 pies en solo un minuto.
P = W/t = F.d/t = m.g.h/t = [330 lb.(0,4536 Kg/lb).9,81 m/seg2.100 p.(0,3048 m/p)] /[60 seg] = 745,97 w ≈ 746 w
El caballo de vapor (CV) es una unidad de medida de potencia que se define como la potencia necesaria para elevar verticalmente un peso de 75 kgf a 1 m de altura en 1 s. Cuando se trató de imponer el Sistema Métrico Decimal, originado en Francia, para la unidad de Potencia se buscó un valor similar al caballo de fuerza inglés, pero utilizando unidades decimales. Así nació el caballo de vapor, cheval-vapeur en francés (CV).
Veamos un ejemplo: si un acróbata levanta a un compañero que pesa 75 kgf a 1 metro de altura en 1 seg, entonces aplicó una potencia de 1 CV, o también:
P = W/t = F.d/t = m.g.h/t = 75 Kg . 9,81 m/seg2 . 1 m / 1 seg = 735,75 w ≈ 736 w
Créditos:
Darío Gavassa. Apuntes de Introducción a la Física.
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