Si necesitamos que una grúa (a la que denominaremos “A”) realice un trabajo, por ejemplo cargar un contenedor en un barco, y no tenemos problemas en que lo termine en 4 horas o en 2 días, entonces el criterio para contratarla será únicamente económico. Pero ahora, si tenemos los tiempos acotados, entre otras cosas por los costos que nos cobran en el puerto por estadía, los costos que implica tener parado un camión para la descarga, y varios otros, entonces debemos cambiar de criterio y contratar a otra grúa (“B”) para que el mismo trabajo lo haga en el menor tiempo posible (sin descuidar la ecuación global de costos).
Al relacionar el trabajo efectuado y el tiempo empleado para llevarlo a cabo introdujimos el concepto de Potencia mecánica, pero si observáramos todo el proceso de carga completo para cada grúa (A o B) notaríamos que las mismas emplean distintos tiempos para cada etapa de la operación (lento al retirarlo del transporte, rápido en la aproximación al lugar donde lo depositará y muy lento finalmente al apoyarlo sobre la plataforma del buque).
Por esto consideramos que la expresión de potencia nos indica la rapidez promedio con la que se efectuó el trabajo (recordemos que un planteo similar hacemos cuando hablamos de rapidez promedio de un coche que cubre -por ejemplo- el trayecto Buenos Aires – Rosario).
Si la fuerza que efectúa trabajo es constante y desplaza el cuerpo una distancia d en la misma dirección y sentido, se tiene que el trabajo es:
W = F . x
además, si consideramos que x/t mide el valor de la rapidez media del cuerpo, la potencia se puede escribir de la siguiente manera:
P = W / t = F . x / t
Utilizando la misma expresión, pero en un intervalo de tiempo muy corto, podemos arribar al concepto de “Potencia instantánea”, o sea haciendo un cálculo instantáneo (tiempo infinitesimal) en que conozcamos el valor de la fuerza que está trabajando y la velocidad instantánea que produce el desplazamiento.
Rendimiento o eficiencia
"Los sistemas mecánicos reales pierden energía en los rozamientos con lo que el trabajo que una máquina entrega al exterior (trabajo útil) es siempre inferior al trabajo que se efectúa sobre la máquina (trabajo consumido)"1.
Definimos el “rendimiento mecánico” (η_m) diciendo que es el cociente entre estas dos cantidades:
donde Wu: Trabajo útil (o realmente aprovechado)
Wc: Trabajo consumido (energía utilizada)
dividiendo por ∆t al numerador y denominador obtenemos:
donde Pu: Potencia útil (o aprovechada)
Pc: Potencia consumida
Las máquinas pueden transformar energía eléctrica en mecánica (o mecánica en eléctrica, o térmica en mecánica, etc.), y el rendimiento se expresa como la relación entre el trabajo útil aprovechado y la energía utilizada (o consumida, o gastada) para producir dicho trabajo (o el trabajo consumido).
El rendimiento mecánico en una "máquina ideal" (no existe rozamiento y el trabajo útil es igual al trabajo producido) es 1 (η = 1) y la potencia de salida igual a la potencia de entrada. El rendimiento mecánico en una “máquina real” es siempre menor que 1 (η < 1), debido a las pérdidas de energía por rozamientos internos que ocurren durante el proceso. El valor del rendimiento suele multiplicarse por 100 para expresarlo en porcentaje. El rendimiento total de un número de máquinas colocadas en serie es igual al producto de sus rendimientos individuales.
Algunos ejemplos (aproximados):
Mecanismo – Máquina – Dispos.
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Transformación energética
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Rendimiento
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Motor eléctrico pequeño
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eléctrica - mecánica
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63%
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Pila seca
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química - eléctrica
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90%
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Motor diesel
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química – mecánica
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38%
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Lámpara incandescente
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eléctrica – lumínica
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5%
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Lámpara fluorescente
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eléctrica – lumínica
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20%
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Planta eléctrica (carbón)
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química - eléctrica
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30%
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Planta nucleoeléctrica
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nuclear – eléctrica
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30%
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[1] William F. Riley, Leroy D. Sturges (2005). Ingeniería mecánica, dinámica. Editorial Reverté.
Créditos:
Darío Gavassa. Apuntes de Introducción a la Física.
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