Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas

Question

Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas

Thuliyán

El trabajo realizado por fuerzas conservativas cambia una forma de energía mecánica en otra. ¿Es correcto suponer que el trabajo realizado por fuerzas no conservativas cambia una forma de energía a otra, por ejemplo, de energía interna a una forma de energía mecánica o viceversa?

Además, considere la situación en la que uno mueve un objeto hacia arriba (caso 1) y hacia abajo (caso 2) desde una mesa hasta el suelo. Ahora, ¿cuáles son los roles de los trabajos realizados por las dos fuerzas (conservadora (gravedad) y no conservativa (nosotros)) en cada caso?

Según tengo entendido, las fuerzas conservativas no pueden cambiar la energía neta del sistema y solo las fuerzas conservativas pueden generar un cambio en la energía potencial del sistema, mientras que el cambio en la energía cinética puede ser causado tanto por fuerzas conservativas como no conservativas.

En el caso 1, donde movemos el objeto hacia arriba, el sistema (objeto y tierra) gana energía potencial y esta energía fue suministrada por nosotros. Ahora, el trabajo realizado por nosotros provoca la transferencia de energía química de nosotros a la energía cinética y el trabajo realizado por la fuerza gravitatoria convierte esta energía cinética en energía potencial de tal manera que $\Delta K=0$ . Además, el cambio en la energía química en nosotros sería mayor que la energía transferida al sistema, ya que parte de la energía química se convierte en calor dentro de nosotros y no se puede recuperar. Y en este caso, no hay cambio en la energía interna del sistema (¿o es posible que el trabajo realizado por nosotros transfiera parte de nuestra energía química a la energía interna del sistema?).

En el caso 2, donde movemos el objeto hacia abajo, la energía potencial disminuye y no ganamos esa energía. El trabajo realizado por la fuerza gravitatoria convierte la energía potencial en energía cinética y el trabajo realizado por nosotros convierte esta energía cinética (y parte de nuestra energía química) en energía interna del sistema (y de nosotros) de tal manera que $\Delta K=0$ . Aquí, el aumento de la energía interna del sistema es igual a la disminución de su energía potencial (o mayor, si el trabajo realizado por nosotros también transfiere parte de nuestra energía química a la energía interna del sistema).

¿Es esto correcto? Nadie lo explica de esta manera. Corrígeme si estoy equivocado.

biofísico

Parece que está preguntando más sobre la contabilidad de todos los diferentes tipos de energía en el sistema en lugar de los roles de las fuerzas conservativas y no conservativas. Cuando decimos que el cambio en la energía cinética es igual al trabajo neto realizado, solo estamos hablando del trabajo realizado sobre el objeto. En otras palabras, hay una diferencia entre mirar solo el trabajo que la fuerza no conservativa hace sobre el objeto y de dónde proviene la energía a nivel biológico para suministrar esta energía. Por supuesto, se puede contabilizar toda la energía, pero parece que el enfoque de su pregunta es cómo lo hacemos.

Thuliyán

¿Son correctos? caso 1: "el trabajo realizado por nosotros provoca la transferencia de energía química de nosotros a la energía cinética y el trabajo realizado por la fuerza gravitacional convierte esta energía cinética en energía potencial tal que K=0" caso 2: "El trabajo realizado por la fuerza gravitatoria convierte la energía potencial del sistema en su energía cinética y el trabajo realizado por nosotros convierte esta energía cinética (y parte de nuestra energía química) en energía interna del sistema (y de nosotros) tal que ΔK=0"

Thuliyán

¿El trabajo realizado por nosotros también puede transferir parte de nuestra energía química a la energía interna (calor) del sistema? @Aaron Stevens ¿Es correcto mi entendimiento sobre el papel de las obras realizadas por las fuerzas? ¿Es correcto mi entendimiento acerca de los cambios en las energías?

qmecanico

OP escribió (v5): Solo las fuerzas conservativas pueden generar cambios en la energía potencial del sistema. Esto es incorrecto.

Thuliyán

@Qmechanic ¿Puede proporcionar un ejemplo?

qmecanico

Si uno mueve un objeto hacia arriba o hacia abajo con una fuerza no conservativa, genera un cambio en su energía potencial, lo que puede no haber ocurrido si no lo moviera :)

Thuliyán

@Qmechanic Está bien, tienes razón. Pero eso no es lo que quise decir. Supongo que no elegí las palabras adecuadas para reflejar mi comprensión. Definitivamente se requiere un factor externo para iniciar el proceso, ya sea una caída libre o alguien que sostenga el objeto y lo mueva. (Si deslicé el objeto horizontalmente fuera de la mesa y lo dejé caer libremente, no significa que causé el cambio en el potencial porque sin mí no habría sucedido). Lo que quise decir es que la energía potencial surge en virtud de posición de la fuente que produce la fuerza conservativa que actúa sobre el objeto.

nasu

La energía potencial solo puede asociarse con fuerzas conservativas. Entonces, si hay un cambio en PE, la fuerza conservativa realiza algo de trabajo. La fuerza no conservativa también puede realizar trabajo durante este cambio. Pero designar a uno de ellos como "causa" no es muy útil y no está claramente definido. Depende de cómo veas una "causa".

Respuestas (2)

Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas

Parece que está preguntando más sobre la contabilidad de todos los diferentes tipos de energía en el sistema en lugar de los roles de las fuerzas conservativas y no conservativas. Cuando decimos que el cambio en la energía cinética es igual al trabajo neto realizado, solo estamos hablando del trabajo realizado sobre el objeto. En otras palabras, hay una diferencia entre mirar solo el trabajo que la fuerza no conservativa hace sobre el objeto y de dónde proviene la energía a nivel biológico para suministrar esta energía. Por supuesto, se puede contabilizar toda la energía, pero parece que el enfoque de su pregunta es cómo lo hacemos.
¿Son correctos? caso 1: "el trabajo realizado por nosotros provoca la transferencia de energía química de nosotros a la energía cinética y el trabajo realizado por la fuerza gravitacional convierte esta energía cinética en energía potencial tal que K=0" caso 2: "El trabajo realizado por la fuerza gravitatoria convierte la energía potencial del sistema en su energía cinética y el trabajo realizado por nosotros convierte esta energía cinética (y parte de nuestra energía química) en energía interna del sistema (y de nosotros) tal que ΔK=0"
¿El trabajo realizado por nosotros también puede transferir parte de nuestra energía química a la energía interna (calor) del sistema? @Aaron Stevens ¿Es correcto mi entendimiento sobre el papel de las obras realizadas por las fuerzas? ¿Es correcto mi entendimiento acerca de los cambios en las energías?
OP escribió (v5): Solo las fuerzas conservativas pueden generar cambios en la energía potencial del sistema. Esto es incorrecto.
Si uno mueve un objeto hacia arriba o hacia abajo con una fuerza no conservativa, genera un cambio en su energía potencial, lo que puede no haber ocurrido si no lo moviera :)
@Qmechanic Está bien, tienes razón. Pero eso no es lo que quise decir. Supongo que no elegí las palabras adecuadas para reflejar mi comprensión. Definitivamente se requiere un factor externo para iniciar el proceso, ya sea una caída libre o alguien que sostenga el objeto y lo mueva. (Si deslicé el objeto horizontalmente fuera de la mesa y lo dejé caer libremente, no significa que causé el cambio en el potencial porque sin mí no habría sucedido). Lo que quise decir es que la energía potencial surge en virtud de posición de la fuente que produce la fuerza conservativa que actúa sobre el objeto.
La energía potencial solo puede asociarse con fuerzas conservativas. Entonces, si hay un cambio en PE, la fuerza conservativa realiza algo de trabajo. La fuerza no conservativa también puede realizar trabajo durante este cambio. Pero designar a uno de ellos como "causa" no es muy útil y no está claramente definido. Depende de cómo veas una "causa".

Shreyansh Pathak · Answer 1

Creo que un enfoque matemático puede ayudarte.

El cambio en la energía potencial de un sistema se define como el trabajo negativo realizado por las fuerzas conservativas internas del sistema.

d {tu}_{s y s t mi metro} = - d W_{i norte t, C o norte}

$dU_{system}=-dW_{int,con}$

El teorema trabajo-energía establece que

d W_{t o t a yo} = d k_{s y s t mi metro}

$dW_{total}=dK_{system}$

Puede haber fuerzas internas y externas presentes en el sistema, entonces

d W_{t o t a yo} = d W_{i norte t, C o norte} + d W_{i norte t, norte o norte - C o norte s} + d W_{mi X t mi r norte a yo}

$dW_{total}=dW_{int,con}+dW_{int,non-cons}+dW_{external}$

Simplificando aún más esta ecuación

d W_{t o t a yo} = - d {tu}_{s y s} + d W_{i norte t, norte o norte - C o norte s} + d W_{mi X t mi r norte a yo}

$dW_{total}=-dU_{sys}+dW_{int,non-cons}+dW_{external}$

De la ecuación anterior se sigue inmediatamente que

d W_{i norte t, norte o norte - C o norte s} + d W_{mi X t mi r norte a yo} = d {tu}_{s y s t mi metro} + d k_{s y s t mi metro}

$dW_{int,non-cons}+dW_{external}=dU_{system}+dK_{system}$

sabemos que el $RHS$ de la ecuación anterior no es más que $dE_{mechanical}$ ,entonces

d {mi}_{metro mi C h a norte i C a yo} = d W_{i norte t, norte o norte - C o norte s} + d W_{mi X t mi r norte a yo}

$dE_{mechanical}=dW_{int,non-cons}+dW_{external}$

Ahora está claro que solo el trabajo realizado por las fuerzas internas no conservativas y externas puede cambiar la energía mecánica de un sistema.

biofísico · Answer 2

Como dice la frase común: "La energía no se crea ni se destruye". Entonces, todo lo que realmente puedes tener es simplemente cambiar las formas de energía. Aunque esto solo está limitado por las diferentes definiciones que podemos encontrar. Al final del día, la energía es solo la capacidad de algo para hacer un trabajo, que es la capacidad de aplicar alguna fuerza a lo largo de cierta distancia. Entonces, la "conversión" de energía, diría, es más por conveniencia en nuestra comprensión con nuestras diferentes clasificaciones de energía en lugar de tener cosas diferentes en el nivel fundamental.

En cuanto al escenario de la caja, hagámoslo simple y digamos que solo tenemos 2 fuerzas, la gravedad (conservadora) y mi fuerza hacia arriba (no conservativa). O tal vez dejamos caer la caja en presencia de una gran resistencia del aire. El trabajo realizado por ambas fuerzas se encuentra de la misma manera, solo sumamos (integramos) todos los $\mathbf F\cdot \text d\mathbf x$ Está a lo largo del camino del viaje. Solo definimos estas fuerzas de manera diferente porque es útil usar energía potencial. El trabajo realizado por la fuerza no conservativa solo depende de la naturaleza de la fuerza, y lo más probable es que disipe energía en, como dijiste, "energía interna". Esto se puede ver si bajamos la caja a una velocidad constante. Si esto es cierto, entonces el trabajo neto realizado es 0, pero todavía estamos perdiendo energía potencial. Entonces, si queremos ver "a dónde fue la energía", entonces sí, está en la "energía interna" transferida como calor (o puede ingresar a la biología de los músculos que trabajan). Pero al fin y al cabo el trabajo realizado por todas las fuerzas se puede encontrar de la misma manera, solo que a veces podemos definir cosas para facilitarnos la vida.

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Shreyansh Pathak

biofísico

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