Trabajo realizado caminando sobre tren en movimiento

A veces, la energía química interna de un sistema se convierte en energía mecánica y energía térmica sin que las fuerzas externas realicen trabajo sobre el sistema. Por ejemplo, al principio de esta sección describimos las conversiones de energía que tienen lugar cuando empiezas a correr. Para avanzar, empujas el suelo hacia atrás y el suelo te empuja con una fuerza de fricción estática. Esta fuerza hace que aceleres, pero no realiza trabajo. No realiza ningún trabajo porque el desplazamiento del punto de aplicación de la fuerza es cero (suponiendo que los zapatos no resbalan en el suelo). Debido a que no se realiza ningún trabajo, no se transfiere energía del piso a su cuerpo. El aumento de energía cinética de su cuerpo proviene de la conversión de energía química derivada de los alimentos que consume.

Entonces, cuando caminamos en el suelo, la fricción no hace ningún trabajo, solo proporciona agarre para que nuestra energía química pueda convertirse en energía cinética.

Pero digamos que camino hacia adelante/acelero en un tren en movimiento, con el tren moviéndose a una velocidad constante. Y hay un observador sentado mirando esto afuera. ¿Verían la fricción haciendo un trabajo positivo sobre mí en relación con el suelo?

El tren se mueve a velocidad constante. La energía que gana la persona proviene de la energía interna, como la energía potencial química. Entonces, ¿por qué parece que la fricción entre el tren y la persona está haciendo trabajo? Estoy confundido, ¿qué estoy viendo? Esto no tiene ningún sentido para mí.

Editar/imagen es para finalizar la pregunta sobre "¿la fricción funciona al caminar?". Esta pregunta no se trata de eso. Estoy tratando de entender cómo en un cuadro, digamos caminar, la fricción no funciona, pero en otro cuadro, parece que sí. Tal vez solo estoy confundiendo los marcos de referencia... no estoy seguro

Kevin, esto se siente como Deja Vu. ¿Hemos recorrido este camino antes?.
Kevin, localice su fuente para la cita en su respuesta. Además, las imágenes no son accesibles para todos los usuarios. He escrito la imagen de texto que tenía esta vez, pero en el futuro, asegúrese de escribir el texto y ubicar sus fuentes.

Respuestas (2)

Pero digamos que camino hacia adelante/acelero en un tren en movimiento, entreno a una velocidad constante. Y hay un observador sentado mirando esto afuera. ¿Verían la fricción haciendo un trabajo positivo sobre mí en relación con el suelo?

Esto es correcto. El poder, PAG , de una fuerza de contacto, F → , es dado por PAG = F → ⋅ v → dónde v → es la velocidad del material en el punto de contacto. Desde F → está en la misma dirección que v → el poder es positivo, lo que significa que se realiza un trabajo positivo en la persona.

El tren se mueve constantemente. La energía que gana la persona proviene del interior. Entonces, ¿por qué parece que la fricción entre el tren y la persona está haciendo trabajo? Estoy confundido, ¿qué estoy viendo? Esto no tiene ningún sentido para mí

En realidad, no toda la energía que gana la persona proviene de la energía interna en el marco del suelo. Suponiendo una conversión perfectamente eficiente de energía potencial química en energía mecánica, la cantidad de energía mecánica ganada (en el marco del suelo) por la persona es mayor que la cantidad de energía química perdida (que es invariante de Galileo). La diferencia es precisamente el trabajo positivo realizado por la fuerza de contacto.

Por la tercera ley de Newton, existe una fuerza de contacto igual y opuesta que opera en el tren. Esta fuerza es en dirección opuesta a la v → entonces se realiza un trabajo negativo en el tren. Dado que el tren viaja a una velocidad constante, eso significa que su motor (como era de esperar) debe estar suministrando energía.

Entonces, la energía mecánica ganada por la persona proviene tanto de la conversión interna de energía química en energía mecánica como de la energía del tren a través del trabajo realizado por la fuerza de fricción en este marco. Para ver esto cuantitativamente, es útil considerar un ejemplo simplificado, como un resorte o algo similar.

Dale, ¿entonces el trabajo realizado por la fricción de una persona que camina sobre el suelo es cero? Solo quiero confirmar que estás de acuerdo. Ahora, sin embargo, al mirar este caso, sí, la persona todavía gana energía a través de sus músculos y demás, pero en realidad estás diciendo que el tren también siente la carga, por lo que ambos deben tenerse en cuenta juntos, ¿no? Última pregunta, ¿por qué nunca enseñaron cosas como esta en la escuela? Realmente se lo saltaron
@KevinCSpeltz en el marco del suelo, el trabajo realizado por la fricción en una persona que camina por el suelo es cero, ya que v = 0 en el punto de contacto implica PAG = F ⋅ v = 0 . Este caso es diferente porque v ≠ 0 . Sí, hay que tener en cuenta tanto la energía del tren como la energía interna. Por lo general, las clases de física newtoniana se enfocan en escenarios bastante estrechos, por lo que este tipo de cosas simplemente nunca surgen. Tienen poco tiempo en clase, por lo que tienen que elegir qué excluir, y la fricción estática con objetos en movimiento es algo que se excluye en aras de temas más urgentes.
@Dale "La diferencia es precisamente el trabajo positivo realizado por la fuerza de contacto". Solo para que entendamos, está reconociendo que la fuerza de contacto de fricción estática está realizando un trabajo positivo. ¿Correcto?
@BobD en el marco del suelo, sí. El tren se está moviendo, por lo que la fuerza sobre la persona sí funciona. PAG = F ⋅ v y tanto la fuerza de contacto como la velocidad del material en el punto de contacto están en la misma dirección, por lo que se realiza un trabajo positivo.
@Dale Gracias. Y para completar el cuadro, cuando dijiste que en el marco del suelo (vías del tren) el tren que se mueve a velocidad constante realiza trabajo sobre el caminante en el tren, también podemos decir que en el marco de un observador en el tren, es el suelo que se mueve y realiza trabajo sobre el andador en el suelo, ya que todos los marcos inerciales son equivalentes.
@BobD Sí, en el marco del tren, el suelo funciona en una persona que camina sobre el suelo. De nuevo PAG = F ⋅ v se puede utilizar para cuantificar la cantidad exacta de trabajo realizado y si es positivo o negativo. Ese trabajo debe tenerse en cuenta para explicar la energía del caminante en el marco del tren.
@Dale Gracias. Creo que estamos en la misma página ahora.
@Dale, una pregunta todavía. ¿Por qué la persona no siente esta energía extra? Para la persona, la persona simplemente está caminando, quemando su energía química. Sus pies no se mueven con respecto al tren. Lo entiendo en el marco del suelo, el tren tiene que hacer más trabajo, pero la persona no tiene ni idea de que esto está pasando... ¿por qué? ¿Es porque esa energía adicional solo se aplica/es significativa en ese marco de referencia terrestre? Encontrado un ejemplo similar physics.stackexchange.com/questions/223599/…
@KevinCSpeltz ¿por qué lo sentirían? No puedo pensar en una situación en la que alguien sienta energía cinética. Puedes, en muchas circunstancias, sentir la energía interna, pero no la energía cinética. Los únicos ejemplos que puedo pensar de sentir energía cinética implican cambiar esa energía cinética en energía interna (por ejemplo, recibir un puñetazo o un disparo o estrellarse).
@Dale, entiendo tu punto, no puedes sentir energía. Supongo que lo que me molesta es que la fuerza es la misma. Pensé que tal vez habría otra fuerza. Pero en realidad es por eso que todavía tenemos la misma aceleración y, a través de esa misma fuerza, el tren/motor está proporcionando y transfiriendo la energía simultáneamente desconocida para el caminante. ¿Correcto?
@KevinCSpeltz ¡sí, lo tienes!
Tener un buen fin de semana. Gracias

El tren se mueve a velocidad constante. La energía que gana la persona proviene de la energía interna, como la energía potencial química. Entonces, ¿por qué parece que la fricción entre el tren y la persona está haciendo trabajo? Estoy confundido, ¿qué estoy viendo? Esto no tiene ningún sentido para mí.

Imaginemos una persona en reposo con respecto a la superficie sobre la que está parada, y se empuja desde esa superficie para avanzar a una velocidad de 1 m/s hacia adelante (respecto a la superficie).

Usando una referencia terrestre, esto es bastante simple. Suponga que la persona pesa 50 kg, entonces la energía mínima para el paso es:

Δ mi = mi F − mi i
Δ mi = 0.5 ( 50 kg ) ( 1 EM ) 2 − 0 = 25 j

Ahora imaginemos que esto sucede en un tren en movimiento. Supongamos que el tren ya tiene una velocidad de 5 m/s. ¿Cuál es el cambio de energía ahora?

Δ mi = 0.5 ( 50 kg ) ( 6 EM ) 2 − 0.5 ( 50 kg ) ( 5 EM ) 2 = 275 j

Entonces, al mirar la interacción desde un marco de referencia diferente, la persona ha agregado mucha más energía. Resolvemos este problema diciendo que además del trabajo que realizan las piernas, el tren también realiza un trabajo sobre la persona.

Si la persona tardó 1 segundo en dar el paso, entonces la fuerza de la superficie debe ser F = metro a = ( 50 kg ) ( 1 EM 2 ) = 50 norte .

En el marco del suelo, diríamos que el trabajo del tren (o el trabajo de la fricción) fue por lo tanto

W = F d = F v t = ( 50 norte ) ( 5 EM ) ( 1 s ) = 250 j

Y ese 250J explica exactamente la diferencia de energía entre los dos casos.

Si solo observamos que esto sucede, caminando dentro del tren, ¿por qué no tenemos que dar cuenta de esta otra energía de 250J? ¿No deberíamos tener también? Esa es mi confusión, cuando estamos en la tierra caminando, ¿por qué no tenemos que dar cuenta de ninguno de estos efectos?

Debe tenerlo en cuenta si le importa la energía real del tren. Este 250J vino del tren. Ahora el tren masivo tiene una gran cantidad de KE, por lo que este 250J será una pequeña fracción de esa cantidad. Pero cuanto más rápido va el tren, más energía representa este cambio de velocidad.

Dado que la Tierra es aún más grande, siempre que estemos en un marco en el que su velocidad sea pequeña, por lo general podemos ignorar la energía intercambiada con ella.

Bowlofred. Gracias. Una pregunta, la última parte calculas los 250j, ¿por qué usaste 5 m/s porque técnicamente no está acelerando?
Estamos hablando de la fuerza de fricción. En el marco del suelo, el objeto que aplica esa fuerza (la superficie para caminar) se mueve a una velocidad constante de 5 m/s. El cuerpo de la persona está acelerando, pero no es allí donde se aplica la fuerza.
Buen punto. Ojalá supiera más. Siento que estoy saltando al medio de la física que es más profunda de lo que aprendí. Gracias por ayudar
Bowlofred y Dale, si esto es cierto, ¿no se podría decir lo mismo que esto le está pasando a la tierra, como le está pasando al tren en esta situación? Si es así, ¿por qué no vemos el efecto? Supongo que, como la mayoría de las cosas en la Tierra, es demasiado grande para notarlo y, en general, generalmente suma cero en el gran esquema.
Este ejemplo destaca más la diferencia en la contabilidad de energía entre marcos. Sí, puede elegir cualquier marco que desee y la energía en pasos particulares es diferente, pero el cambio de energía es siempre el mismo. El hecho de que un cuadro sea la tierra y el otro no, no importa mucho. El tamaño de la Tierra no entra en juego mucho más que su tamaño lo convierte en una buena aproximación para un marco inercial.
Déjame reescribirlo.
Creo que he estado pensando demasiado... gracias bowlofred, puedes hacerlo si quieres, pero eliminé mi comentario porque creo que estoy bien.
Gracias. Supongo que es como muchas cosas. Tienes que sopesar la importancia relativa al problema. En el ejemplo del tren, el viento y demás tendrían más efecto que este caso. Así que probablemente no lo ignoraríamos.
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