¿Por qué el trabajo neto de un excursionista que lleva una mochila de 15 kg hacia arriba 10 metros = 0 J (Giancoli)?

De acuerdo con el libro de texto de física de Douglas C. Giancoli, el trabajo neto realizado en un 15 k gramo mochila llevada hacia arriba 10 m por un excursionista es 0 J ya que el trabajo realizado por el caminante es 147 J y el trabajo realizado por la gravedad es − 147 j

Pero la energía potencial de la mochila aumenta en 147 J, entonces, ¿qué está pasando? (para hacerlo corto)

Editar: El trabajo es + / − 1470 j, no + / − 147 J, lo siento por este error. (Sin embargo, no cambia el problema).

Pregunta actual sobre el mismo tema: physics.stackexchange.com/q/677889/123208
Varias respuestas explican que el trabajo no acaba en la mochila sino en el campo de energía gravitacional. Un ejemplo para comparar esto de manera más intuitiva podría ser el movimiento de dos objetos unidos por una cuerda. Cuando separamos los objetos entre sí, la energía 'termina' en el resorte y no en los objetos.
¿Qué libro de texto? "Física: Principios con Aplicaciones" ? ¿ "Física para científicos e ingenieros" ? "Física para científicos e ingenieros con física moderna" ?
Por cierto, si tuviera cuidado de usar la redacción de Giancoli, la pregunta parecería menos absurda: Su redacción es "Trabajo neto realizado. (c) El trabajo neto realizado en la mochila es W-neto = 0". Tenga en cuenta la notable ausencia de la palabra "excursionista" ;-): como se explica en mi respuesta, el excursionista, por supuesto , funciona en la mochila. Esa pregunta se cubre en la sección anterior a la que está discutiendo, y está redactada acertadamente "Para calcular el trabajo realizado por el excursionista en la mochila"...

Respuestas (7)

Pero la energía potencial de la mochila aumenta en 147 J, entonces, ¿qué está pasando? (para hacerlo corto)

Los 147 J positivos de trabajo realizados por el excursionista transfieren energía a la mochila. Los -147 J negativos del trabajo realizado por la gravedad se llevan la energía que el excursionista transfirió a la mochila y la almacena como energía potencial gravitatoria (GPE) del sistema Tierra-mochila. El hecho de que el trabajo neto realizado sea cero simplemente significa que la mochila no tiene energía cinética después de levantarla 10 m.

El principio subyacente es el teorema del trabajo y la energía, que establece que el trabajo neto realizado sobre un objeto es igual a su cambio de energía cinética. Dado que la mochila presumiblemente comienza en reposo y termina en reposo después de subir 10 m, su cambio en KE es cero. Todo el trabajo realizado por el excursionista termina como GPE.

Espero que esto ayude.

Gracias por tu rápida respuesta. Pero, ¿por qué la energía cinética "pertenecería" a la mochila pero no su energía potencial? (su movimiento también es relativo al sistema de coordenadas de la Tierra, por lo que tampoco es absoluto) - Y, en general, considerando todo el sistema de excursionista, mochila y Tierra, la energía química se convirtió en GPE (a través del trabajo muscular), por lo que todavía no puedo ver que el el trabajo neto realizado aquí es cero.
@FelixTritschler Si bien el KE de la mochila es relativo a diferentes marcos de referencia inerciales (marcos que se mueven a diferentes velocidades constantes), es el mismo con respecto a todas las ubicaciones en el mismo marco de referencia inercial. Teniendo en cuenta las ubicaciones de los excursionistas como el mismo marco inercial, ya sea que esté parado al comienzo de la escalada de los excursionistas, 5 m más arriba, o al final de la escalada (10 m), cualquier objeto único que observe en movimiento desde esos tres lugares tendrá el mismo KE. Por otro lado, el GPE del objeto será diferente para las diferentes ubicaciones.
Con respecto a tu segundo punto, no estoy seguro de a qué te refieres. Pero la fuente de energía de los excursionistas (energía potencial química) es irrelevante con respecto al teorema de la energía del trabajo y el trabajo neto realizado sobre el objeto. Si está considerando al excursionista, la mochila y la Tierra como un sistema aislado, entonces este trabajo sería interno al sistema. No se realizaría ningún trabajo en el sistema como un todo si está aislado.
Con respecto a su primer comentario, en realidad no, el ΔGPE sería el mismo, independientemente de la posición del observador. Con respecto a su segundo comentario: considere 2 escenarios: 1. con gravedad (como antes), 2. sin gravedad --> la mochila vuela con ~14 m/s después de ser empujada con ~147 N a lo largo de un tramo de 10 m que da como resultado ΔKE=ΔGPE (en el escenario 1). En ambos casos, este es el resultado de la conversión de la misma cantidad de energía química en las respectivas formas de energía, pero esto es irrelevante para el caso 1 y relevante para el caso 2. Eso no puede ser, ¿verdad? Lo mismo ocurre con el calor por fricción frente a KE (otros comentarios). Gracias en adv.
@FelixTritschler Primero, no dije Δ GRAMO PAG mi no es lo mismo. Dije que GPE no es lo mismo. GPE no tiene significado a menos que se asigne la ubicación de cero GPE. KE no depende de un punto de referencia en el mismo marco inercial. Segundo, no entiendo el escenario 2. Dices que no hay gravedad y luego dices Δ k mi = Δ GRAMO PAG mi (???). Tercero, dado que no entiendo su escenario 2, no entiendo su punto sobre la conversión de energía potencial química. Ciertamente puede ser la fuente de energía para cambiar la KE de un objeto o para cambiar la GPE.
Tampoco entiendo lo que quiere decir con "lo mismo ocurre con el calor por fricción frente a KE". He hecho todo lo posible para responder a sus preguntas. Si no es aceptable para ti, que así sea. Lo siento, pero no tengo más tiempo para gastar en esto. Espero que encuentres lo que estas buscando.

La palabra clave aquí es trabajo en red .

Anteriormente en el ejercicio, el autor calcula el trabajo (no "neto") que el excursionista ha realizado en la mochila, que es la cantidad esperada según la diferencia de altitud y la masa. Eso es lo que hizo el caminante.

Ahora para la red. El excursionista puede dar fe de que la gravedad es una perra: ¡contrarrestó la fuerza del excursionista en la mochila todo el tiempo! Testimonio de ello es que la mochila no aceleró (si por simplicidad consideramos un tramo en medio de la caminata). Sin fuerzas netas , sin cambios en la energía cinética.

El trabajo que hizo el excursionista no terminó en la mochila, terminó en el campo gravitatorio, en lo que la física newtoniana llama "energía potencial". Una situación similar surgiría si un trabajador empujara una caja sobre un piso de cemento, con velocidad constante. Ciertamente realizan trabajo, también en el sentido de la física; pero ninguno entra en la caja: ¡Las fuerzas sobre la caja se anulan entre sí! Todo el trabajo mecánico se transforma en calor.

Un ejemplo opuesto sería el mismo escenario, pero sin gravedad: el caminante desplaza un peso con una fuerza constante F sobre una distancia s. Debido a que no hay gravedad, tenemos una fuerza neta : es exactamente F, y todo se convierte en energía cinética, que es simplemente F*s si la fuerza apunta en la dirección del viaje. (Debido a que tenemos una fuerza neta, la mochila también acelera todo el tiempo, a diferencia del escenario de la gravedad).

Gracias por tu rápida respuesta también. Además de mi comentario sobre la respuesta de Bob, me gustaría decir que para el caso de una caja empujada contra la fuerza de fricción, tampoco entiendo por qué el trabajo neto realizado sería cero porque la temperatura de la caja y de la piso aumentado.
@FelixTritschler: Peter no dice que el trabajo neto general realizado por la persona que empuja la caja sea cero. Está diciendo que el trabajo neto realizado "sobre la caja" es cero porque se mueve a velocidad constante. Esta es también la distinción que hace Giancoli.
@FelixTritschler Con respecto a su comentario aquí, el trabajo neto realizado en la caja al empujarla a velocidad constante contra la fuerza de fricción cinética es cero porque su cambio en KE es cero. En este caso, a diferencia de la gravedad, donde el trabajo negativo igual que realiza se almacena como GPE, el trabajo negativo realizado por la fuerza de fricción cinética se almacena como un aumento en la energía interna de los materiales que se frotan entre sí, lo que aumenta su temperatura y, posteriormente, genera calor. transferir a otras áreas más frescas.
En efecto, la fricción convierte la KE macroscópica que habría ganado la caja en un aumento de la KE microscópica, es decir, un aumento de la KE de las moléculas de los materiales.

A medida que se sube la mochila, la fuerza neta, el trabajo y el cambio en la energía cinética son todos cero (como sería si se bajara). La energía potencial es el trabajo que puede realizar el campo (solo) al mover el objeto desde su posición actual a una posición de referencia elegida. (Si se arrojara la mochila hacia abajo, habría un cambio en la energía cinética equivalente al trabajo realizado por el caminante al levantarla).

Gracias igualmente por tu rápida respuesta. Comenté la respuesta de Bob y Peter. Además de eso, en realidad dijiste implícitamente con lo que tengo un problema aquí: "Si el paquete se arrojara hacia abajo, habría un cambio en el equivalente de energía cinética ..." - Esto muestra que la energía de la caja aumentó, por lo que el el trabajo neto hecho de antemano no debe ser cero. (!)

El teorema del trabajo y la energía dice que el trabajo total realizado sobre un cuerpo es igual al cambio en su energía cinética. Dado que el paquete comienza en reposo y termina en reposo, no se ha realizado ningún trabajo neto sobre él. La fuerza total sobre el paquete (la fuerza de elevación menos el peso) fue ligeramente hacia arriba al principio para que comenzara a moverse, y ligeramente hacia abajo en la parte superior para detenerlo.

Gracias igualmente por tu rápida respuesta. Escribí comentarios a algunas de las otras respuestas; tenga en cuenta lo que escribí con respecto a la energía química involucrada aquí, si está interesado.

La energía potencial gravitacional es básicamente otro nombre para el trabajo realizado por la gravedad.

Así que puedes describir el escenario como

  • usted proporciona energía a través del trabajo que se almacena como energía potencial, o como
  • usted está haciendo un trabajo que se equilibra con el trabajo realizado por la gravedad.

El trabajo neto , lo que significa que el trabajo realizado por todas las partes involucradas es cero en su caso cuando la energía potencial se considera trabajo. Si no está perdiendo energía para calentar y no está acelerando algo (supongo que la mochila se mueve a velocidad constante), entonces este tendrá que ser el caso debido a la ley de conservación de energía. Toda la energía suministrada se ha tomado de algún otro lugar.

Gracias igualmente por tu rápida respuesta. Escribí comentarios a algunas de las otras respuestas; tenga en cuenta lo que escribí con respecto a la energía química involucrada aquí, si está interesado.

Me gustaría agregar que puede comprender esta situación matemáticamente al modelar el sistema de la bolsa y la Tierra como uno no aislado (para energía).

La ecuación reducida para la conservación de la energía da:

Δ k + Δ tu + Δ mi En t = ∑ T → Δ k + Δ tu gramo = W extensión

Ahora, asumiendo que la mochila se detiene después de la caminata, debemos tener Δ k = 0 , y por lo tanto, el aumento de energía potencial (gravitacional) del sistema bolsa-Tierra ( Δ tu gramo = metro gramo ( Δ y ) > 0 ) proviene del trabajo realizado sobre la bolsa por el caminante que es externo al sistema.

Si modela solo la bolsa como sistema, entonces no hay tu gramo término (ya que no hay objetos que interactúan) y la conservación de la energía se reduce al trabajo familiar: el teorema de la energía cinética .

De nuevo, encontramos que

W ext, red = Δ k = 0
lo que prueba la suposición de la primera afirmación, y también da el significado de que la bolsa no tiene trabajo neto realizado sobre ella; la bolsa no ha ganado energía cinética adicional.

Espero que esto ayude.

Gracias por tu rápida respuesta también. Además de mis comentarios a las respuestas anteriores: su ecuación de todo el sistema muestra precisamente lo que veo como problemático aquí: considerando todo el sistema (Tierra, excursionista, mochila), la energía química se transformó en energía potencial (a través del trabajo muscular). El primero no es cero, el segundo tampoco lo es, por lo que el trabajo neto no debe ser cero. (!)
Si modela el sistema como si contuviera las tres entidades, entonces el sistema queda aislado . ¡No hay agentes externos que trabajen en la bolsa, el caminante o la Tierra! En este caso, la ecuación se reduce a Δ tu gramo + Δ tu química = 0 . Como Δ tu gramo > 0 , Debemos tener Δ tu química < 0 , lo cual tiene sentido ; El aumento de la energía potencial gravitacional del sistema de bolsa de tierra se produjo con una reducción de la energía potencial química del caminante.

Creo que probablemente obtuviste tu respuesta de las anteriores. Solo quiero agregar algo.

La energía potencial de un sistema cambia solo cuando las fuerzas conservativas internas en un sistema funcionan. En este caso, la fuerza aplicada por el hombre sobre la bolsa no es conservativa, pero la fuerza gravitacional entre la bolsa y la tierra es conservativa, por lo que esto provoca un cambio en la energía potencial de la bolsa.

Δ tu = − W C = − ∫ F → C . d s →

¿Por qué el trabajo neto de un excursionista que lleva una mochila de 15 kg hacia arriba 10 metros = 0 J (Giancoli)?
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