🍎 Tema 21: Física: fuerza, trabajo, energía y temperatura

Ayuntamiento de Oviedo · Servicio de Extinción de Incendios y Salvamento (SEIS) · Agente Técnico/a Conductor/a Especialista del SEIS

Resumen

Tema de física aplicada y de cálculo: puede caer en el test y en el apartado B (en 2025 el tribunal pidió expresar en unidades del Sistema Internacional la temperatura que marcaba una cámara térmica). Las bases recomiendan un libro comercial que aquí no se usa; todo está en fuentes públicas: las unidades las fija el Real Decreto 2032/2009, de unidades legales de medida (el sistema legal en España es el Sistema Internacional, SI), y la física la explican los manuales del CEIS Guadalajara: la fuerza y las leyes de Newton, el capítulo de física del manual de edificaciones; la energía, el de hidráulica y el de rescate en accidentes de tráfico; y el calor y las escalas de temperatura, la «Teoría del fuego». Las cuatro unidades que hay que saber de memoria son derivadas del SI con nombre propio: newton (N) para la fuerza, julio (J) para la energía, el trabajo y la cantidad de calor, vatio (W) para la potencia y pascal (Pa) para la presión. La temperatura se mide en kelvin (K), que es unidad básica.

Fuerza. El manual de edificaciones del CEIS la define como una magnitud vectorial que esquematiza las interacciones entre cuerpos, es decir, la acción que un cuerpo puede sufrir o ejercer sobre otro. Se calcula como el producto de la masa por la aceleración: F = m × a. La caracterizan sus atributos (módulo o magnitud, dirección y sentido) y su punto de aplicación, y se mide en newtons (N = kg·m/s²). Se rige por las tres leyes de Newton. 1.ª, principio de inercia: todo cuerpo persevera en su estado de reposo o de movimiento uniforme y rectilíneo, a menos que una fuerza externa actúe sobre él (por eso, en un choque, el vehículo y lo que lleva dentro tienden a seguir su movimiento). 2.ª, F = m × a. 3.ª, principio de acción y reacción: dos cuerpos que actúan el uno sobre el otro desarrollan siempre dos fuerzas en una misma dirección, de igual intensidad y de sentidos opuestos. Como toda magnitud vectorial, las fuerzas se pueden componer (sumar, restar…) para dar nuevas fuerzas.

Peso, momento y rozamiento. El peso es la fuerza con que la Tierra atrae a un cuerpo; aplicando F = m × a con la aceleración de la gravedad, P = m × g, con g ≈ 9,8 m/s² (el valor habitual en los problemas): una persona de 80 kg pesa 784 N. El manual de rescate en altura redondea para trabajar con cuerdas: 1 kN = 100 kg de fuerza. El efecto de una fuerza depende de dónde se aplica: el momento es el producto de la fuerza por la distancia perpendicular (brazo) y se mide en newtons por metro (N·m); a mayor brazo, mayor momento. Un par de fuerzas son dos fuerzas paralelas, de la misma intensidad y de sentidos contrarios. El rozamiento se opone al movimiento y hace que las máquinas reales rindan menos que en teoría: en un polipasto, donde debería obtenerse un factor de 2 se obtiene 1,8.

Trabajo. Se hace trabajo cuando una fuerza desplaza un cuerpo: W = F × d, en julios. El manual de incendios del CEIS define el julio como la energía o trabajo realizado por una unidad de fuerza (1 newton) al mover un cuerpo un metro de longitud (1 J = 1 N·m, como recoge el Real Decreto 2032/2009). Arrastrar un vehículo 20 m tirando con 400 N en la dirección del movimiento son 8.000 J. Si hay fuerza pero no hay desplazamiento, no hay trabajo. Trabajo y energía son dos caras de lo mismo: según el manual de rescate en accidentes de tráfico, todo cuerpo en movimiento es capaz de realizar trabajo y, por consiguiente, posee energía cinética.

Energía. Se mide en julios, igual que el trabajo. La energía cinética es la que tiene un cuerpo por moverse: Ec = ½ × masa × velocidad² (un vehículo de 1.000 kg a 20 m/s tiene 200.000 J). La energía potencial es la que tiene por su altura: Ep = peso × altura = m × g × h (un martillo de 2 kg a 30 m sobre la calle tiene 588 J). Conservación de la energía mecánica: en un sistema ideal, sin rozamiento, la energía total se mantiene constante y solo cambia de forma. El manual de hidráulica lo aplica al agua con la ecuación de Bernoulli: en un fluido ideal, la suma de las energías potencial, de presión y cinética se mantiene constante, de modo que, si en una conducción horizontal se estrecha la sección y aumenta la velocidad (más energía cinética), la presión baja. En un accidente de tráfico, la energía cinética se libera bruscamente con la deceleración del choque y se convierte en trabajo (deformaciones); en los choques inelásticos, parte de la energía cinética inicial se dedica a deformaciones y a desprender calor.

Potencia y rendimiento. La potencia es el trabajo o la energía por unidad de tiempo: P = W / t, en vatios (1 W = 1 J/s). Un cabestrante que hace un trabajo de 60.000 J en 60 s desarrolla 1.000 W. El manual de incendios añade que el vatio es una medida de potencia o flujo de energía y que el calor liberado en un incendio se expresa en kilovatios o megavatios. El rendimiento es la relación entre la potencia útil y la potencia consumida: el manual de hidráulica define el rendimiento energético de una bomba como la potencia transferida al fluido (potencia útil) dividida entre la potencia consumida por el motor que la acciona. Si el motor consume 20 kW y la bomba transfiere al agua 15 kW, el rendimiento es del 75 %.

Calor y temperatura no son lo mismo. Según el manual del CEIS, el calor de un cuerpo es la suma de la energía cinética de todas sus moléculas, y la temperatura es la energía cinética media de esas moléculas. El calor se ha medido en calorías (la cantidad de calor que eleva un grado la temperatura de un gramo de agua), pero la caloría está en desuso y la unidad del SI es el julio: 1 caloría equivale exactamente a 4,1868 julios, y 1 julio son unas 0,24 calorías. El calor específico es el calor necesario para elevar 1 ºC la temperatura de un gramo de una sustancia; el del agua es 1 cal/(g·ºC), y llevar un litro de 20 ºC a 100 ºC requiere 80 kilocalorías.

Escalas de temperatura. Todas se apoyan en dos puntos fijos: la fusión del hielo y la ebullición del agua. Celsius o centígrada: de 0 a 100. Réaumur: de 0 a 80 (ya no se usa). Fahrenheit: de 32 a 212 (solo en países de habla inglesa). Absoluta o Kelvin: de 273 a 373; su cero es el cero absoluto, unos 273 grados centígrados bajo cero, la temperatura a la que las moléculas quedarían inmóviles. Conversiones del manual: ºF = ºC × 1,8 + 32; ºC = (ºF − 32) ÷ 1,8; K = ºC + 273,15; ºC = K − 273,15. Ejemplos: 27 ºC son 80,6 ºF; 300 ºF son 148,89 ºC y 422,04 K. El Real Decreto 2032/2009 define la temperatura Celsius como t = T − T₀, con T₀ = 273,15 K, y aclara que el grado Celsius es igual en magnitud al kelvin: una diferencia de 25 ºC es una diferencia de 25 K.

Claves para el examen

• Unidades del SI: fuerza, newton (N = kg·m/s²); energía, trabajo y calor, julio (J = N·m); potencia, vatio (W = J/s).
• Fuerza: magnitud vectorial; atributos (módulo, dirección, sentido) y punto de aplicación; F = m × a.
• 1.ª ley de Newton, inercia; 2.ª, F = m × a; 3.ª, acción y reacción (misma dirección, igual intensidad, sentidos opuestos).
• Peso: P = m × g, con g ≈ 9,8 m/s². En cuerdas, 1 kN = 100 kg de fuerza.
• Momento = fuerza × brazo; se mide en N·m.
• Trabajo: W = F × d. Julio: trabajo de 1 newton al mover un cuerpo 1 metro.
• Energía cinética: Ec = ½ × m × v². Energía potencial: Ep = peso × altura.
• Sin rozamiento, la energía mecánica se conserva (Bernoulli: si sube la velocidad, baja la presión).
• En un choque, la energía cinética se libera con la deceleración y se convierte en trabajo.
• Potencia: P = W / t; 1 W = 1 J/s.
• Rendimiento = potencia útil / potencia consumida.
• Calor: suma de la energía cinética de las moléculas. Temperatura: su energía cinética media.
• 1 caloría = 4,1868 julios; 1 julio = 0,24 calorías.
• Escalas (hielo-ebullición): Celsius 0-100; Réaumur 0-80; Fahrenheit 32-212; Kelvin 273-373.
• ºF = ºC × 1,8 + 32; ºC = (ºF − 32) ÷ 1,8; K = ºC + 273,15. Un grado Celsius y un kelvin tienen el mismo tamaño.

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