🍎 Tema 26: Física: leyes de Newton, trabajo y energía

Consorcio para el Servicio contra Incendios y de Salvamento (SCIS) de la Provincia de Ciudad Real · Bombero/a

Resumen

Este tema es física de bachillerato aplicada al parque: las tres leyes de Newton y los conceptos de velocidad, aceleración, fuerza, trabajo, potencia y energía, que luego reaparecen en hidráulica, en rescate o en conducción. No hay norma que lo regule, pero las unidades sí están fijadas por ley: en España el sistema legal es el Sistema Internacional (SI), recogido en el Real Decreto 2032/2009, de unidades legales de medida. Ahí aparecen el newton (N) para la fuerza, el julio (J) para la energía y el trabajo y el vatio (W) para la potencia. En el test lo que cae son definiciones, unidades y problemas de una sola operación: domina las fórmulas y los cambios de unidades.

Cinemática: velocidad y aceleración. La velocidad mide lo rápido que cambia la posición: v = espacio / tiempo, en metros por segundo (m/s). Para pasar de km/h a m/s se divide entre 3,6 (72 km/h = 20 m/s) y para volver se multiplica por 3,6. La aceleración mide lo rápido que cambia la velocidad: a = (velocidad final − velocidad inicial) / tiempo, en metros por segundo cuadrado (m/s²). Si un vehículo pasa de 0 a 20 m/s en 4 s, su aceleración media es de 5 m/s². En el movimiento rectilíneo uniforme la velocidad es constante y la aceleración es nula; en el uniformemente acelerado la aceleración es constante. Una frenada es una aceleración negativa (deceleración).

Primera ley de Newton o principio de inercia: todo cuerpo mantiene su estado de reposo o de movimiento rectilíneo uniforme mientras no actúe sobre él una fuerza neta que lo obligue a cambiarlo. Es la razón de que en una frenada brusca los ocupantes sigan hacia delante y de que existan el cinturón de seguridad y los sistemas de retención. La inercia de un cuerpo depende de su masa: cuanta más masa, más cuesta cambiar su estado de movimiento.

Segunda ley de Newton o principio fundamental de la dinámica: la fuerza neta sobre un cuerpo es igual a su masa por la aceleración que le produce, F = m · a. La aceleración tiene la misma dirección y sentido que la fuerza neta. De aquí sale la unidad de fuerza: un newton es la fuerza que da a una masa de 1 kg una aceleración de 1 m/s² (1 N = 1 kg·m/s²). El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo: P = m · g, con g ≈ 9,8 m/s² (en los problemas se redondea a veces a 10). No confundas masa y peso: la masa (kg) no cambia de un sitio a otro; el peso (N) depende de la gravedad.

Tercera ley de Newton o principio de acción y reacción: si un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro, este ejerce sobre el primero una fuerza igual en módulo y dirección y de sentido contrario. Esas dos fuerzas no se anulan porque actúan sobre cuerpos distintos. Aplicación directa en el trabajo de bombero: la reacción en lanza. El manual de hidráulica del CEIS Guadalajara explica que, por el principio de acción y reacción, toda lanza que proyecta agua a velocidad empuja hacia atrás a quien la sujeta, y que ese empuje disminuye al abrir el cono hasta anularse casi por completo a los 180º.

Trabajo. Una fuerza realiza trabajo cuando desplaza su punto de aplicación: W = F · d · cos α, donde α es el ángulo entre la fuerza y el desplazamiento. Si la fuerza va en la dirección del movimiento, W = F · d; si es perpendicular al desplazamiento (cos 90º = 0), no hace trabajo, como el peso de una camilla que se lleva en horizontal. La unidad es el julio: 1 J = 1 N · 1 m. Ejemplo: arrastrar un equipo con una fuerza de 50 N a lo largo de 10 m en la misma dirección supone 500 J.

Potencia: es el trabajo realizado por unidad de tiempo, P = W / t, y mide lo rápido que se hace un trabajo. Su unidad es el vatio: 1 W = 1 J/s. Hacer 1.200 J en 4 s es una potencia de 300 W. También se puede escribir P = F · v para una fuerza que mueve algo a velocidad constante. El kilovatio hora (kWh) no es una potencia sino una energía: 1 kWh = 1.000 W × 3.600 s = 3.600.000 J (3,6 MJ).

Energía cinética y energía potencial. La energía es la capacidad de realizar trabajo y se mide en julios. La energía cinética es la que tiene un cuerpo por moverse: Ec = ½ · m · v²; como depende del cuadrado de la velocidad, si la velocidad se duplica la energía cinética se multiplica por cuatro (por eso un choque a 100 km/h es mucho más grave que a 50). La energía potencial gravitatoria es la que tiene por su altura: Ep = m · g · h (el manual del CEIS la escribe como peso × altura). Un cuerpo de 10 kg a 5 m de altura, con g = 10 m/s², tiene 500 J.

Principio de conservación de la energía: la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma. Si no hay rozamiento, la energía mecánica (cinética + potencial) se mantiene constante: lo que pierde un cuerpo en potencial al caer lo gana en cinética. Así, un objeto que cae desde 5 m llega al suelo a v = √(2 · g · h) = 10 m/s (con g = 10), sea cual sea su masa. Con rozamiento la energía mecánica disminuye, pero no desaparece: se transforma en calor. En hidráulica este principio es la base del teorema de Bernoulli: en una conducción la suma de energía de presión, cinética y potencial se mantiene constante.

Claves para el examen

• 1.ª ley (inercia): sin fuerza neta, reposo o movimiento rectilíneo uniforme.
• 2.ª ley: F = m · a; 1 N = 1 kg·m/s².
• 3.ª ley: acción y reacción, iguales y opuestas, sobre cuerpos distintos (no se anulan).
• Reacción en lanza = tercera ley; el empuje baja al abrir el cono.
• Peso = m · g (g ≈ 9,8 m/s²); la masa no cambia, el peso sí.
• km/h ÷ 3,6 = m/s (72 km/h = 20 m/s).
• Aceleración = Δv / t, en m/s²; en el MRU es cero.
• Trabajo = F · d · cos α; fuerza perpendicular al desplazamiento = trabajo nulo.
• 1 J = 1 N · m.
• Potencia = W / t = F · v; 1 W = 1 J/s.
• 1 kWh = 3,6 millones de julios: es energía, no potencia.
• Ec = ½ · m · v²: doble velocidad, cuádruple energía.
• Ep = m · g · h.
• Sin rozamiento, Ec + Ep = constante; caída libre: v = √(2gh).
• Con rozamiento, la energía mecánica se transforma en calor.

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