Trabajo mecánico

Te explicamos qué es el trabajo mecánico en física, sus características y la fórmula para calcularlo. Además, qué tipos existen y ejemplos.

¿Qué es el trabajo mecánico?

En física, y más específicamente en la rama de la mecánica, se entiende por trabajo mecánico (o simplemente trabajo) a la acción de una fuerza sobre un cuerpo en reposo o movimiento, de modo tal que produzca un desplazamiento en el cuerpo proporcional a la energía invertida en la fuerza que lo mueve. Dicho de otro modo, el trabajo mecánico es la cantidad de energía transferida a un cuerpo por una fuerza que actúa sobre él.

El trabajo mecánico es una magnitud escalar, que se suele medir en el Sistema Internacional (SI) a través de joules o julios (J) y se representa con la letra W (del inglés Work, “Trabajo”). Además, se suele hablar de trabajo positivo o negativo dependiendo de si la fuerza le transfiere energía al objeto (trabajo positivo) o si se la resta (trabajo negativo). Así, por ejemplo, quien arroja una pelota realiza un trabajo positivo, mientras que quien la ataja realiza un trabajo negativo.

Ver además: Energía mecánica

Características del trabajo mecánico

El trabajo mecánico se caracteriza por:

• Es una magnitud escalar, que se mide a través de julios (o sea, kilogramos por metro cuadrado entre segundo cuadrado) y se representa con la letra W.
• Depende directamente de la fuerza que lo ocasiona, de modo tal que para existir trabajo mecánico en un cuerpo, debe haber una fuerza mecánica aplicada sobre él a lo largo de una trayectoria definida.
• En el lenguaje corriente, se emplea el término “trabajo” para definir a aquella actividad mecánica cuya realización consume una cantidad de energía.
• La transferencia de calor (energía calórica) no se considera una forma de trabajo, a pesar de que consista en una transferencia de energía.

Fórmula del trabajo mecánico

La fórmula más sencilla para calcular el trabajo de un cuerpo que es movido por una fuerza suele ser la siguiente:

W = F x d

donde W es el trabajo realizado, F la fuerza que actúa sobre el cuerpo y D es la distancia del desplazamiento sufrido por el cuerpo.

Sin embargo, fuerza y distancia suelen considerarse magnitudes vectoriales, que requieren de una orientación determinada en el espacio. Así, la fórmula anterior puede reformularse para incluir dicha orientación, de la siguiente manera:

W = F x d x cos𝛂

donde el coseno de alfa (cos𝛂) determina el ángulo que forman la dirección en que la fuerza se aplica y la dirección en que el objeto se mueve como resultado.

Tipos de trabajo mecánico

El trabajo mecánico puede ser de tres tipos, dependiendo de si se añade, resta o mantiene el nivel de energía en el cuerpo en movimiento. Así, podemos hablar de:

• Trabajo positivo (W > 0). Ocurre cuando la fuerza aporta energía al objeto en cuestión, produciendo un desplazamiento en el mismo sentido en que se aplicó la fuerza. Un ejemplo de esto sería un jugador de golf que golpea una pelota con el palo y la hace sobrevolar varios metros, o el de un jugador de béisbol que batea una pelota en movimiento, modificando la trayectoria que traía.
• Trabajo nulo (W = 0). Ocurre cuando la fuerza aplicada no produce desplazamiento alguno en el objeto, a pesar de que está consumiendo energía en el proceso. Un ejemplo de esto sería una persona que empuja un mueble muy pesado sin lograr que se desplace ni un milímetro.
• Trabajo negativo (W < 0). Ocurre cuando la fuerza aplicada resta energía al objeto en cuestión, resistiéndose al movimiento que el objeto ya traía o reduciendo su desplazamiento. Un ejemplo de esto sería un jugador de béisbol que ataja la pelota arrojada por otro, impidiéndole seguir con su trayectoria; o una persona que se interpone ante un objeto que cae por una colina y aunque no logra detenerlo del todo, logra disminuir la velocidad de su caída.

Ejemplos de trabajo mecánico

Algunos ejemplos de trabajo mecánico son:

• En un juego de fútbol, el árbitro cobra un penalti y Lionel Messi patea el balón en dirección al arco, con una fuerza de 500N, logrando que se desplace unos 15 metros sin tocar el suelo. ¿Cuánto trabajo realizó al marcar ese gol?

Respuesta: aplicando la fórmula W = F x d, tenemos que Messi realizó un trabajo de 500N x 15m, es decir, un trabajo equivalente a 7500 J.

• Un tren avanza hacia el sur a toda máquina, directo hacia un auto atrapado en las vías. Un superhéroe, dándose cuenta del peligro, decide interponerse ante la locomotora y frenar su avance. Considerando que el tren trae consigo una fuerza de 20.000 N, que el superhéroe es invulnerable y que la locomotora está a 700 metros del auto atrapado, ¿de cuánto es el trabajo que debe hacer el superhéroe para frenarla?

Respuesta: Dado que frenar la locomotora exige al menos 20.000 N en dirección contraria, y que al superhéroe le gustaría dejar un margen de al menos 2 metros entre la locomotora y el auto atrapado, sabemos que deberá aplicar un trabajo igual a 20.000 N x 698 m, es decir, un trabajo negativo de 13.960.000 J.

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Referencias

• “Trabajo (física)” en Wikipedia.
• “Trabajo mecánico y energía” en Amarauna (España).
• “Mechanical Work: Examples and Applications” en Oxscience.