Una máquina simple con una polea que sube un objeto lleva a cabo un trabajo mecánico.
El trabajo mecánico es la energía que se transfiere a un cuerpo cuando una fuerza genera un desplazamiento. Muchas veces se asocia la noción con las modificaciones en el estado de movimiento del cuerpo; sin embargo, pero dicha modificación no es una condición necesaria para la existencia del trabajo mecánico.
Es importante mencionar que trabajo es una noción con múltiples acepciones. En este caso, nos interesa su significado vinculado al producto de una fuerza debido al desplazamiento que produce. Mecánico, por su parte, es un término que está relacionado con la rama de la física que se centra en el movimiento y el equilibrio de los objetos que están sometidos a la influencia de una fuerza.
Temas
ResumenMagnitud física y ecuación
En este contexto, el trabajo mecánico puede entenderse como una magnitud física de tipo escalar, que se expresa mediante la unidad de energía conocida como julio. Siempre que una fuerza se aplica sobre un cuerpo y lo desplaza, realiza un trabajo mecánico que puede medirse en julios.
Cuando el trabajo mecánico (que se simboliza con una letra W, por el término inglés work) es expresado a través de una ecuación, se menciona que W es igual a la fuerza que se aplica por la distancia que se recorre, siempre que la fuerza sea constante y tenga la misma dirección que el desplazamiento.
W = F . d
La expresión general, no obstante, contempla el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento:
W = F . d . cos θ
Cuando una fuerza aplicada tiene la misma dirección que el desplazamiento, realiza un trabajo mecánico positivo.
Ejemplos de trabajo mecánico
Un ejemplo de trabajo mecánico lo encontramos cuando un trabajador empuja una carretilla cargada con ladrillos desde un sector de una obra en construcción hacia otro. La persona aplica una fuerza para mover la carretilla: por lo tanto, efectúa un trabajo mecánico.
La aplicación de dicha fuerza se mantiene hasta que el hombre deja de empujar la carretilla; una vez que deja de empujar, ya no realiza trabajo sobre la carretilla. Sin embargo, la carretilla se seguirá moviendo por un tiempo debido a la inercia, hasta que se detenga totalmente por el trabajo negativo de las fuerzas de rozamiento, que reducen la energía cinética.
Pensemos ahora en un hombre que necesita levantar una caja llena de libros para trasladarla a otro lugar. Con dicho objetivo, se agacha para tomar la caja y realiza una fuerza vertical hacia arriba con sus músculos, propiciando que la caja se desplace también hacia arriba. En este caso, hay un trabajo mecánico positivo.
Tomemos el caso de alguien que se arroja desde un avión en paracaídas. Tras el salto, el sujeto desciende pero el aire ejerce una resistencia que actúa hacia arriba. Esa fuerza aerodinámica hace un trabajo mecánico negativo que reduce la velocidad de descenso del paracaidista.
Por supuesto, el trabajo mecánico no necesariamente tiene que ser realizado por un ser humano. Para que un elevador suba, actúa un motor que, a través de los cables, ejerce una fuerza de tensión que tira de la cabina hacia arriba. Ese trabajo mecánico vence el peso y logra desplazar el elevador contra la gravedad.
Otro ejemplo de trabajo mecánico lo encontramos en un camarero que traslada una bandeja desde la cocina de un restaurante hasta la mesa del cliente. Cuando el trabajador lleva la bandeja siempre a una misma altura y avanza en línea recta, hay una fuerza vertical que sostiene la bandeja y un desplazamiento horizontal. Debido a que esa fuerza que sostiene la bandeja es perpendicular al desplazamiento, el trabajo mecánico que realiza es nulo.
También es nulo el trabajo mecánico si un individuo empuja una pared que no se mueve. El sujeto aplica una fuerza aunque no se produce un desplazamiento (o sea, la pared permanece exactamente en el mismo lugar). Por lo tanto, el trabajo mecánico es igual a 0.
El trabajo mecánico se calcula teniendo en cuenta el ángulo de aplicación de la fuerza con respecto al desplazamiento.
Clasificación según el tipo
Es importante mencionar que el trabajo mecánico se clasifica de distintas maneras de acuerdo a las características del desplazamiento y otros factores.
El trabajo negativo o trabajo resistente ocurre cuando la fuerza actúa en el sentido opuesto al desplazamiento y se expresa mediante W < 0. El trabajo positivo o trabajo motor, en tanto, puede expresarse como W > 0: por ejemplo, cuando un buey tira de un arado. El trabajo nulo, por otro lado, presenta la fórmula W = 0.
Para recordar estas diferencias, se suelen resumir estos tipos de trabajo mecánico de la siguiente manera:
Trabajo positivo = La fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección
Trabajo negativo = La fuerza actúa en dirección contraria al desplazamiento
Trabajo nulo = La fuerza es perpendicular al desplazamiento o no hay desplazamiento
En el ámbito de la física, asimismo, se reconocen otras formas de trabajo, como el trabajo eléctrico (que refiere al que realizan las fuerzas eléctricas al desplazar una carga dentro de un campo eléctrico) y el trabajo termodinámico (vinculado a la energía que se transfiere cuando un sistema se comprime o se expande debido a una presión externa).
