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En Física,
los conceptos de trabajo y potencia sirven para entender
y explicar muchas cosas en nuestro universo.
Empecemos con el trabajo.
El trabajo positivo es la energía que ponemos en un sistema
y el trabajo negativo es la energía que se transfiere.
Piensen en el trabajo positivo como el dinero que se suma a su cuenta bancaria
y trabajo negativo como el dinero que sacan.
En el sistema métrico,
el trabajo y la energía se miden en joules.
Como ejemplo, veamos este hermoso y viejo reloj mecánico del abuelo.
Transferimos energía al reloj
cuando le damos cuerda
para izar los cilindros pesados metálicos del reloj.
Al hacerlo, realizamos trabajo positivo,
agregando energía al reloj,
energía que se almacena como energía potencial gravitatoria.
Podemos calcular la cantidad de trabajo hecho al multiplicar la fuerza que aplicamos
por la distancia en la que aplicamos la fuerza.
Para izar los cilindros metálicos,
necesitamos aplicar una fuerza igual a su peso.
Esto es, igual a la fuerza de gravedad.
que empuja hacia abajo los cilindros.
Estos cilindros pesan 300 newtons,
y esto es bastante pesado,
tanto como un niño pequeño,
y si los levantamos medio metro,
entonces son 300 newtons
por medio metro
o 150 joules de trabajo.
La potencia es la tasa a la que se transfiere la energía.
Cuando decimos tasa,
queremos decir la cantidad de energía transferida
por unidad de tiempo.
En el sistema métrico, la potencia se mide en
joules por segundo,
o varios.
El término vatio o watt viene de James Watt,
quien propuso el concepto de caballos de potencia
para medir la cantidad de potencia
producida por un caballo de trabajo típico.
James Watt fue el inventor de las máquinas de vapor industriales,
y quería que sus clientes potenciales
pudieran hacer comparaciones
entre sus máquinas de vapor y una cantidad familiar,
la potencia que podían obtener de una caballo de trabajo.
Fue una idea tan útil
que la unidad del sistema métrico de potencia es el vatio (watt),
acuñado en honor de James Watt.
Siguiendo los pasos de James Watt,
comparemos la cantidad de potencia requerida
para que este reloj del abuelo funcione
con la potencia que necesitaríamos para
encender un foco de 100 vatios.
Podemos medir la potencia que una persona
emplea para darle cuerda al reloj
dividiendo la cantidad de trabajo realizado
por el tiempo que toma hacerlo.
Si toma 1 minuto o 60 segundos,
levantar las pesas,
son 150 joules
divididos por 60 segundos,
o 2,5 joules por segundo de trabajo.
Están agregando energía al reloj
a una tasa de 2,5 vatios.
Necesitarían cerca de 40 veces lo mismo
para encender un foco de 100 vatios.
Antes de dejar que el reloj funcione,
la energía se almacena
como energía potencial gravitatoria de los cilindros.
Es como su cuenta bancaria
cuando han depositado dinero.
Pero si dejan funcionar el reloj.
los cilindros se mueven lentamente hacia abajo.
La energía se va del reloj.
De hecho, cuando los cilindros llegan al fondo,
toda la energía que pusimos se habrá acabado.
¿Entonces cuánta potencia usa el reloj?
Es decir ¿cuántos joules de energía por segundo se van del reloj,
si los cilindros necesitan 5 días para regresar a su posición original?
Lo podemos calcular
porque ya sabemos cuánto trabajo hacemos
cuando levantamos los cilindros:
150 joules.
Pero esta vez, tomó 5 días más que un minuto.
Cinco días es 5 por 24
por 60
por 60 otra vez
o 432 000 segundos.
Entonces dividimos el trabajo hecho por el tiempo
y la respuesta es cerca de 0,00035 joules por segundo,
o cerca de 0,35 milivatios.
Eso un una potencia diminuta.
Este reloj usa tan poca potencia
que podrían tener casi 300 000 relojes funcionando
con la misma potencia requerida para encender un foco de 100 vatios.
Así es, pueden tener un reloj funcionando en cada casa
en una ciudad mediana con toda esa potencia.
Esa es una conclusión bastante sorprendente
y conociendo el trabajo y
la potencia lo podemos calcular.