POTENCIA MECÁNICA PROBLEMAS RESUELTOS DE FÍSICA DE SECUNDARIA Y PREUNIVERSITARIA PDF
El estudio del presente capítulo nos permite entender el significado de los conceptos de potencia mecánica, potencia entregada y potencia útil; así como el significado de eficiencia de una máquina.
La definición de trabajo no mencionó el tiempo empleado, por ejemplo, si se quiere desplazar un bloque una distancia horizontal de 3 m mediante una fuerza horizontal de 7N el trabajo que se tiene que desarrollar sería:
W =F×d=7N(3m)=21J
independientemente de cuanto tiempo nos tardemos, pues podría ser 1s, 1 día, 1 año, etc.
Pero muchas veces necesitamos conocer la rapidez con la cual se efectúa un trabajo, esto se describe en términos de potencia que es el trabajo efectuado en la unidad de tiempo
EFICIENCIA DE UNA MÁQUINA
Toda máquina necesita de un suministro de potencia para realizar algún tipo de trabajo, esto es, para desarrollar una potencia útil.
Así se define la eficiencia de una máquina como la razón entre las potencias útiles a la entregada a la máquina.
Esto es, toda la potencia que se entrega a una máquina no es aprovechada íntegramente por esta para realizar trabajo, pues hay pérdidas por rozamiento que normalmente se presencia en forma de calor (la máquina se calienta).
Por ejemplo, cuando conectas una licuadora al toma-corriente (suministro de potencia), se entrega potencia a la licuadora y esta realiza trabajo al mover sus cuchillas, sin embargo notarás que el motor se calienta advirtiendo que hay pérdidas de potencia.
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PREGUNTA 1 :
El peso total de un ascensor es de 20000 N y tiene un contrapeso de 15000 N. Halle la potencia necesaria para elevar el ascensor con una velocidad constante de 6m/s, en kW.
a) 1
b) 5
c) 10
d) 30
e) 50
PREGUNTA 2 :
Determine la mínima potencia que deberá tener un motor a comprar, a fin de que accionado un montacarga de 80% de eficiencia, pueda levantar pesos de 2000N o más a velocidad de 10m/s.
a) 5kW
b) 50kW
c) 10kW
d) 20kW
e) 25kW
PREGUNTA 3 :
Un hombre levanta una carga de 12N hasta una altura de 10m empleando para ello 30s. ¿Encuentre la potencia que desarrolla el hombre?
a) 1W
b) 2W
c) 3W
d) 4W
e) 5W
PREGUNTA 4 :
Calcule la potencia entregada al motor de un ascensor cuando levanta la cabina con un peso total de16kN a la velocidad constante de 3,6km/h, sabiendo que la eficiencia del motor de 80%.
a) 20 kW
b) 12 kW
c) 18 kW
d) 24 kW
e) 16 kW
PREGUNTA 5 :
Un ascensor levanta 10 pasajeros, desplazándose 80m en 3 min a velocidad constante, cada pasajero tiene una masa de 80 kg y el ascensor de 1000 kg. Calcule la potencia de su motor en HP.
(g= 10 m/s²)
a) 10,7 HP
b) 11 HP
c) 11,5 HP
d) 12 HP
e) 13 HP
PREGUNTA 6 :
Si solo el 20% de la potencia de un motor fuera aprovechable, dicho motor eleva el bloque (m=100kg) con velocidad constante de 0,5 m/s. ¿Cuál es la potencia nominal que indica la etiqueta del motor?
A) 1 090 W
B) 2 500 W
C) 2 300 J
D) 3 000 W
E) 1 800 J
Rpta. : "B"
PREGUNTA 7 :
Si un motor requiere de 1000W de potencia para su funcionamiento, por efecto del rozamiento entre sus engranajes por calentarse se disipa, 350W de energía. Calcula la eficiencia del motor.
A) 35%
B) 70%
C) 65%
D) 80%
E) 17,5%
Rpta. : "C"
PREGUNTA 8 :
Un auto en su funcionamiento absorbe 800w de potencia, si el auto se desplaza con rapidez constante de 72km/h. Calcula la fuerza que impulsa el auto a desplazarse.
A) 10N
B) 20N
C) 30N
D) 40N
E) 50N
Rpta. : "D"
PREGUNTA 9 :
Si una grúa levanta un bloque de 40kg con rapidez constante hasta una altura de 10m en 5s. Si la eficiencia de la grúa es del 40%. Que potencia se le debe entregar a dicha grúa para tal efecto.
(g=10m/s²)
A) 100W
B) 150W
C) 200W
D) 4000W
E) 2000W
Rpta. : "E"
PREGUNTA 10 :
Una persona sobre una torre jala un bloque de 10kg desde el reposo hasta la parte superior de dicha torre de 80m en 4s. Calcula la potencia entregada por el hombre.
(g=10m/s²)
A) 2000W
B) 1000W
C) 250W
D) 5000W
E) 4000W
Rpta. : "E"
PREGUNTA 11 :
Del problema anterior calcula la potencia neta.
A) 1000W
B) 2000W
C) 300W
D) 4000W
E) 5000W
Rpta. : "B"
POTENCIA INSTALADA EN UNA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
En nuestro país la central hidroeléctrica que proporciona la mayor cantidad de potencia eléctrica es la Central Hidroeléctrica del Mantaro (Santiago Antúnez de Mayolo), que aprovecha la altura de las aguas del río Mantaro.
El flujo de este río cae sobre los álabes de un grupo de turbinas acopladas a grandes alternadores que transforman la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.
¿QUÉ POTENCIA RECIBEN LAS TURBINAS DEBIDO A LA CAÍDA DE LAS AGUAS?
Esta potencia se denomina potencia hidráulica instalada y nos expresa la rapidez con la cual reciben energía potencial gravitatoria los álabes de la turbina.
POTENCIA HIDRÁULICA
El cálculo de este tipo de potencia es común en las bombas centrífugas, cuando elevan líquido a determinadas alturas o en el caso de centrales hidroeléctricas cuando hay caídas de agua, usadas para la generación de energía eléctrica.
EFICIENCIA O RENDIMIENTO DE UNA MÁQUINA
Se sabe que un motor de automóvil al funcionar transforma la energía interna de los combustibles en energía calorífica y esta a su vez en energía mecánica.
También un motor de licuadora transforma la energía eléctrica que recibe en energía mecánica para que la cuchilla gire y además disipe calor y la hornilla de una cocina eléctrica transforma la energía eléctrica en energía calorífica.
A partir de estos casos afirmaremos que toda máquina transforma la energía de una forma a otra. No crea una forma de energía.
Sin embargo debido a la fricción entre piezas de la máquina e interacción de la máquina con el medio ambiente hay una forma de energía que se disipa (se pierde, no es útil) y no la podemos aprovechar.
Por tal razón, las máquinas jamás han llegado a tener 100% de rendimiento.
Citemos algunos ejemplos:
Motor eléctrico : 98%
Motor térmico (automóvil) : 42%
Motor hidráulico (turbina) : 86%
En conclusión podemos decir que la eficiencia es aquel factor que nos indica el grado de rendimiento de una máquina, para lo cual se relaciona la potencia de salida con la potencia de entrada. También se define eficiencia a aquel índice o grado de perfección alcanzado por una máquina.
¿CÓMO EVALUAMOS EL RENDIMIENTO DE UNA MÁQUINA?
En un esquema de una máquina donde se tenga en cuenta el tipo de potencia que absorbe y además el tipo de potencia que arroja o entrega dicha máquina.
Se nota que durante el proceso las máquinas experimentan debido a la fricción interna, una disipación de potencia térmica (potencia disipada) hacia el medio ambiente que muchas veces no es aprovechada.
JAMES WATT
Nacido en Birmingham (Gran Bretaña), el 19 de enero de 1736, su padre era armador de origen escocés y le enseñó la fabricación y uso de las herramientas y útiles náuticos. Desde joven se interesa por las Matemáticas y los aparatos de medición, conocimientos que incrementa tras viajar a Londres y contactar con Morgan de Cornhill. Tras volver a su lugar de origen, participa en varios trabajos para el Colegio de Glasgow, lo que le vale ser nombrado maestro dedicado a la fabricación de instrumentos matemáticos en su Universidad. Aprovechando el único precedente de Papin, en el siglo XVII, Watt estudió los usos y aprovechamientos que pudieran ser derivados del vapor, hasta ese momento poco aprovechados. Así, inventó un prototipo que lograba reducir en gran medida el aporte de combustible, aplicando la presión del vapor para mover el pistón de un cilindro.
El éxito conseguido hace que su modelo se expanda rápidamente por Londres, Manchester y Birmingham, ciudades en las que empiezan a experimentarse los inicios de la revolución industrial, y en las regiones donde el carbón, la energía más utilizada del momento, resulta más caro. Su invención se traslada algo más tarde a Francia, siendo usada en París para el abastecimiento de agua y el bombeo del Sena. Proyectada usarla en Versalles, no llegó a realizarse su instalación. La importancia de su invento radica en que es una de las claves de la Revolución Industrial, al conseguir multiplicar el aporte de fuerza reduciendo el gasto de energía. Su aplicación, la máquina de vapor, se dio en minería y comunicaciones, especialmente. La aparición de la energía eléctrica no desbancó al uso del vapor hasta muchos años después.
La importancia de su invención le hizo ser premiado por la Real Sociedad londinense y la Academia de Ciencias de Francia. Además, ve multiplicarse el número de máquinas de vapor en Inglaterra, que serán ya en 1830 unas 10.000. al reconocimiento intelectual le acompaña el éxito económico, pues, junto a su socio Boulton, se encarga de la fabricación y distribución de sus máquinas y la comercialización de sus patentes. Falleció en Birmingham el 5 de agosto de 1819.