El agua se levanta de un pozo de 50 m de profundidad. Si la masa del agua es de 20 kg y la de la cuerda es de 0.2 kg por metro, ¿cuál es la cantidad de trabajo realizado?

Dos formas de abordar este problema:

El método más complejo que usa el cálculo: la respuesta de Roy Narten a Un hombre saca un balde lleno de agua de un pozo de un metro de profundidad. Si la masa de la cuerda es my la masa del balde lleno de agua es M, entonces, ¿cuál es el trabajo realizado por el hombre?

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La forma simple que se muestra a continuación

Trabajo = (fuerza) (distancia)

Si está levantando una carga, la fuerza = peso = mg, y la distancia = altura de elevación.

Trabajo = (peso) (altura) = (mg) h

Una manera fácil de lidiar con el peso de la cuerda es tratarlo como una carga concentrada ubicada en el centro de gravedad de la cuerda (es decir, a 25 m de profundidad).

[matemática] m_ {cuerda} = (0.2 \ frac {kg} {m}) (50 m) = 10 kg [/ matemática]

Entonces, el trabajo total realizado es:

[matemáticas] (mgh) _ {agua} + (mgh) _ {cuerda} = (20) (9.81) (50) + (10) (9.81) (25) [/ matemáticas]

[matemáticas] = 12300 Nm [/ matemáticas]

El cg de la cuerda tiene una profundidad de 25 m. La energía potencial de la cuerda con referencia a tierra es U1 = -10 (9.8) (25) J.

La energía potencial del agua U2 = -20 () 9.8) (50). J. En el suelo, la energía potencial es cero. Entonces, trabajo hecho,

W = U1 + U2 = 9.8 [250 + 1000) = 9.8x1250J

Siempre recomiendo encarecidamente dibujar un boceto de problemas como estos. Un boceto de antes y después sería útil.

Un enfoque es calcular la Fuerza requerida para soportar el balde lleno de agua en cualquier punto de su viaje de 50 metros. (Menos cuerda significa menos fuerza requerida cerca de la parte superior). Todo lo que necesita hacer es integrar esta fuerza durante todo el viaje de 50 metros y la respuesta es suya.

Una forma más directa y mucho más fácil es tomar una instantánea antes de que comience el levantamiento y otra instantánea una vez que haya terminado y comparar la energía potencial en las dos imágenes. ¡La mayor cantidad de PE en la segunda imagen te dice exactamente cuánto trabajo se hizo!

Teniendo en cuenta que la cuerda se está acortando mientras se levanta, la cuerda total es de 10 kg, pero el promedio es de 5 kg, por lo que, si se agrega al agua, es un promedio de 25 kg que se levantará 50 m. Ahora aplique la fórmula de fuerza y ​​tendrá su respuesta. Masa x Altura x Gravedad = 25kg x 50m x 9.8 = 12,250 julios

El trabajo es la integral de la fuerza sobre la distancia, y la fuerza varía linealmente desde 30 kg hasta 20 kg a medida que se tira de la cuerda. La integral resultante es fácil de guisante.