Estoy confundido acerca de los cambios en la energía potencial gravitatoria, la fuerza externa neta y el teorema del trabajo y la energía.
Para un sistema de una sola partícula, entiendo que una fuerza externa neta da como resultado un cambio en la energía cinética y, por lo tanto, se realiza trabajo en el sistema (partícula).
Lo que me confunde es el trabajo realizado en un sistema y el aumento de la energía potencial gravitacional.
Si defino el sistema para incluir un libro + Tierra (donde soy externo al sistema) y levanto el libro a una velocidad constante, entonces la fuerza neta sobre el sistema no es cero, ¿correcto? Sin embargo, la fuerza neta sobre el libro es cero. Entonces, según la Segunda Ley de Newton, el sistema debe acelerar y debe haber un cambio en la energía cinética y, por lo tanto, se realizará trabajo en el sistema.
Sin embargo, la mayoría de los libros afirman que no hay cambio en la energía cinética sino un cambio en la energía potencial. ¿Cómo puedo aplicar una fuerza externa al sistema aumentando la energía del sistema pero el sistema no acelera? Si la cantidad de energía cinética permanece constante, ¿se realiza trabajo sobre el sistema?
El trabajo no siempre tiene que implicar cambios en la energía cinética. Creo que su confusión se debe a una mala aplicación del teorema del trabajo y la energía. El trabajo solo es igual al cambio en la energía cinética si no hay campos potenciales presentes (es decir, el teorema del trabajo y la energía solo se aplica a cuerpos rígidos y libres ). La gravedad es uno de estos campos, por lo que es posible realizar trabajo sin alterar la energía cinética.
Imagina que aplicas una fuerza a tu libro hacia arriba igual a su peso justo un momento después de que se cayó del estante y ya tiene una pequeña velocidad hacia abajo.
Seguirá cayendo pero sin aceleración. Entonces, incluso después de aplicar la fuerza, el libro pierde su energía potencial. La fuerza acaba de cancelar la gravedad y eliminar la aceleración.
En el ejemplo, cuando aplica una fuerza hacia arriba, sin componentes horizontales, suceden tres cosas. - F < W
El libro caerá pero con menos de g de aceleración. Y su energía cinética aumentará debido al trabajo de gravedad de la Tierra.
El libro mantendrá su velocidad o permanecerá quieto si no se estaba moviendo. Sin cambios en la energía cinética.
El libro subirá con aceleración con velocidad inicial de la que tiene en el momento de aplicar la fuerza. Y su energía cinética aumentará.
Imagina la Tierra y el libro como tu sistema.
Debe aplicar una fuerza externa sobre el libro y una fuerza externa igual y opuesta sobre la Tierra para "levantar" el libro si no desea acelerar el centro de masa de su sistema.
Tomando el libro como un sistema, tiene dos fuerzas iguales y opuestas sobre él, la atracción gravitatoria del libro por la Tierra y la fuerza externa aplicada, por lo que el trabajo neto realizado sobre el libro es cero y la energía cinética del libro no Sin cambio.
Lo mismo es cierto si tomamos la Tierra como un sistema y tampoco se realiza trabajo sobre ella, por lo que la energía cinética de la Tierra no cambia.
La energía potencial gravitacional es algo que el libro y el sistema de la Tierra poseen conjuntamente y las fuerzas externas trabajan en el sistema del libro y la Tierra aumentando la separación entre ellos, aumentando así la energía potencial gravitatoria del sistema del libro y la Tierra.
La evaluación del trabajo realizado por las fuerzas externas generalmente se restringe al trabajo realizado por la fuerza externa en el libro porque la distancia que se mueve el libro es mucho, mucho mayor que la distancia que se mueve la Tierra, ya que la Tierra es mucho más masiva que el libro. .
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