¿Qué tipo de fuerza puede ejercer una roca que un motor no puede?

En ambos ejemplos, el motor/roca no realiza ningún trabajo contra la puerta. Sabemos esto porque no hay movimiento en la dirección de la fuerza.

La diferencia es que el motor usa un campo electromagnético para generar esa fuerza, y ese campo se genera al pasar electricidad a través de un montón de cables enrollados. La electricidad que fluye a través de estos cables disipa energía debido a la resistencia de los cables. La energía consumida por el motor se disipa así como calor dentro del motor.

De hecho, muchos motores pueden quemarse si los opera de esta manera. Muchos motores dependen de su propia rotación para proporcionar flujo de aire para enfriar el cableado dentro del motor.

La fuerza es la fricción. Cuando una roca pesada está asentada en el suelo, se necesita mucha fuerza para vencer la fuerza de fricción estática y lograr que la roca se deslice.

Compara esto con un motor. La única parte de un motor unida a la puerta sería un engranaje. La idea detrás de los motores es ser eficientes, por lo que están diseñados para tener la menor fricción posible en ellos. Esto significa que necesitamos aplicar una fuerza para mantener las cosas en su lugar.

Si tuviera un motor, con un engranaje grande y pesado y un eje impulsor grande y pesado, y tuviera algunos cojinetes defectuosos, etc., la fricción en el sistema del motor sería mayor que la fuerza aplicada por la puerta, por lo que no lo haríamos. No tengo que aplicar nada más. Sería lo mismo que una roca grande y pesada.

No es un tipo diferente de fuerza lo que permite que la roca mantenga la puerta cerrada, sino un tipo diferente de mecanismo que proporciona esa fuerza.

La fuerza de contacto de la roca presiona contra la puerta mientras que la fricción (otra fuerza de contacto) con el suelo evita que la puerta empuje la roca. Las fuerzas de contacto son fuerzas de reacción electrostáticas que impiden que los electrones de dos objetos ocupen el mismo espacio.

Las máquinas y los motores también pueden ejercer fuerzas de contacto pasivas contra la puerta. Los pernos, que ejercen fuerzas de contacto contra el suelo, evitan que se muevan. Si las máquinas contienen un pistón, dientes y un trinquete, el trinquete puede evitar que el pistón sea empujado hacia atrás después de haber cerrado la puerta.

Si el pistón es empujado por un motor de vapor o de combustión, la presión del vapor o de los gases de combustión puede proporcionar una fuerza constante para mantener la puerta cerrada, siempre que no haya fugas y el cilindro no se enfríe. La ventilación de escape debe estar bloqueada en su lugar para evitar que escapen los gases. Esto actúa como un trinquete.

Si la máquina no tiene un mecanismo similar a un trinquete para evitar que el pistón se mueva hacia atrás, se necesita un suministro constante de energía para mantener una fuerza activa contra la puerta. Las ruedas hidráulicas requieren un flujo constante de agua para mantener el par. Los motores eléctricos requieren corriente eléctrica constante para mantener un par constante en la armadura. La bobina del motor tiene cierta resistencia, por pequeña que sea, por lo que la corriente disipa energía en forma de calor en la bobina.

Esto es de alguna manera como las fuerzas activas proporcionadas por los humanos. No se necesita energía para ejercer una fuerza pasiva apoyándose contra la puerta, pero nos cansamos cuando ejercemos activamente un empujón constante contra una puerta, o cuando sostenemos cosas, aunque no se esté realizando ningún trabajo en un sentido físico. Nuestros músculos consumen energía solo para mantenerlos en tensión. Consulte ¿Por qué sostener algo cuesta energía mientras no se realiza ningún trabajo? .

Tienes razón, no necesitas consumir energía para mantener la puerta cerrada.

En el caso de la piedra, la puerta se mantiene en su lugar por la fuerza normal de contacto de la roca, sin embargo, la roca también debe experimentar suficiente fricción estática del piso para evitar que se mueva, sin fricción (por ejemplo, si la roca se sostiene por encima del suelo con un globo grande, la puerta se abrirá, independientemente de la masa de la roca, pero se moverá más lentamente cuanto mayor sea la masa).

Pero puede usar otros procesos menos eficientes para mantener la puerta cerrada (una elección mala e innecesaria), en cuyo caso puede gastar una cantidad arbitrariamente grande de energía. Por ejemplo, si mueve la roca a cierta distancia de la puerta, y conecta a la roca un motor con un "brazo" orientado hacia la pared que necesita consumir energía del motor para evitar ser comprimido, entonces gastará energía interna para evitar que el brazo se comprima. Pero esta energía no es realmente necesaria, es el resultado de utilizar un método no eficiente para sujetar la puerta.

Agregando a las respuestas ya dadas:

La energía eléctrica "consumida" por el motor puede transferirse a dos formas de energía, a saber, calor y trabajo. Su suma es igual a la energía eléctrica suministrada (primera ley de la termodinámica).

El trabajo se define como el desplazamiento (en metros) por la fuerza (en Newton). Como la puerta no se mueve, toda la energía eléctrica se convierte en calor.

La energía no se consume cuando el motor se esfuerza contra una fuerza pero no se mueve. Si observa cualquier definición de trabajo, encontrará que no se está realizando ningún trabajo en la situación que describe. No se ejerce ninguna fuerza contra una fuerza resistiva durante una cierta distancia.

Si conecta un motor eléctrico a un engranaje y luego frena ese engranaje con una fuerza o un par mayor que el que puede producir el motor, el motor no consumirá ninguna corriente adicional en una disposición similar de cables (no olvide incluir los devanados del motor) . Si intentas frenar un motor o motor de combustión interna para que detengas su rotación, se muere, acabando con el consumo de combustible.