Trabajo (física)
En física, el trabajo es la energía transferida a un cuerpo cuando una fuerza actúa sobre él y provoca un desplazamiento.
En física, el trabajo es la magnitud que mide la energía transferida a un cuerpo cuando una fuerza actúa sobre él y lo desplaza. No basta con hacer fuerza: para que haya trabajo en sentido físico, el objeto tiene que moverse, al menos en parte, en la dirección de la fuerza. Su unidad en el Sistema Internacional es el julio (J).
¿Qué es el trabajo en física?
El trabajo mecánico es el resultado de aplicar una fuerza sobre un cuerpo mientras este se desplaza. Es una magnitud escalar, es decir, queda definida solo por un valor numérico y su unidad, sin dirección ni sentido. Está íntimamente ligado al concepto de energía: realizar trabajo sobre un cuerpo es una forma de transferirle o quitarle energía.
Un ejemplo muy útil es el de una persona que sostiene una mochila pesada sin moverse. Aunque se canse, desde el punto de vista de la física no realiza trabajo sobre la mochila, porque no hay desplazamiento.
Fórmula del trabajo
Para una fuerza constante, el trabajo se calcula con la expresión:
W = F · d · cos θ
- W: trabajo, en julios (J).
- F: módulo de la fuerza, en newtons (N).
- d: módulo del desplazamiento, en metros (m).
- θ: ángulo entre la fuerza y el desplazamiento.
Matemáticamente, es el producto escalar de la fuerza por el desplazamiento: W = F · d. Si la fuerza no es constante, el trabajo se obtiene integrando: W = ∫ F · dr entre la posición inicial y la final. En una gráfica fuerza-posición, equivale al área bajo la curva.
Unidad: el julio
Un julio es el trabajo realizado por una fuerza de un newton al desplazar un cuerpo un metro en la dirección de la fuerza: 1 J = 1 N · m. La unidad lleva el nombre del físico británico James Prescott Joule, que estudió la equivalencia entre calor y trabajo mecánico. En el sistema cegesimal, la unidad es el ergio (1 J = 107 erg).
Tipos de trabajo según el ángulo
| Ángulo θ | cos θ | Tipo de trabajo | Significado |
|---|---|---|---|
| 0° (menor de 90°) | positivo | Trabajo motor o positivo | La fuerza favorece el movimiento y aumenta la energía del cuerpo. |
| 90° | 0 | Trabajo nulo | La fuerza es perpendicular al desplazamiento; no transfiere energía. |
| 180° (mayor de 90°) | negativo | Trabajo resistente o negativo | La fuerza se opone al movimiento y disminuye la energía, como el rozamiento. |
Ejemplos numéricos
Ejemplo 1 (ilustrativo): una persona empuja una caja con una fuerza horizontal de 20 N a lo largo de 5 m. Como la fuerza y el desplazamiento tienen la misma dirección (θ = 0°), W = 20 N · 5 m · cos 0° = 100 J.
Ejemplo 2 (ilustrativo): se tira de una maleta con una fuerza de 30 N formando un ángulo de 60° con el suelo durante 10 m. W = 30 · 10 · cos 60° = 30 · 10 · 0,5 = 150 J.
Ejemplo 3 (ilustrativo): se eleva un objeto de 2 kg hasta una altura de 3 m a velocidad constante. La fuerza necesaria iguala al peso: F = m · g ≈ 2 · 9,8 = 19,6 N. El trabajo es W = 19,6 · 3 ≈ 58,8 J. El trabajo del peso sobre el objeto en ese mismo recorrido es negativo, ≈ −58,8 J.
Ejemplo 4 (ilustrativo): un cuerpo que se desliza sobre una superficie rugosa con una fuerza de rozamiento de 4 N a lo largo de 2 m. Como el rozamiento se opone al movimiento (θ = 180°), W = 4 · 2 · cos 180° = −8 J.
Teorema del trabajo y la energía cinética
Uno de los resultados más importantes de la mecánica establece que el trabajo neto realizado sobre un cuerpo es igual a la variación de su energía cinética:
Wneto = ΔEc = ½ m vf² − ½ m vi²
Por ejemplo, si sobre un cuerpo de 2 kg que parte del reposo actúa un trabajo neto de 25 J, su energía cinética final es 25 J y su velocidad será v = √(2 · 25 / 2) = 5 m/s. Este teorema permite resolver muchos problemas sin necesidad de calcular aceleraciones ni tiempos.
Trabajo y fuerzas conservativas
Una fuerza es conservativa cuando el trabajo que realiza no depende de la trayectoria seguida, sino solo de las posiciones inicial y final. Es el caso del peso y de la fuerza elástica de un muelle; el trabajo de estas fuerzas se relaciona con la variación de la energía potencial. En cambio, el rozamiento es no conservativo: el trabajo depende del camino recorrido.
Diferencia entre trabajo y potencia
El trabajo no tiene en cuenta el tiempo empleado. La potencia mide precisamente cuánto trabajo se realiza por unidad de tiempo: P = W / t. Se expresa en vatios (1 W = 1 J/s). Si una grúa y una persona elevan la misma carga a la misma altura, realizan el mismo trabajo, pero la grúa lo hace con mayor potencia porque tarda menos.
Preguntas frecuentes
¿Qué es el trabajo en física?
Es la energía transferida a un cuerpo cuando una fuerza actúa sobre él y lo desplaza. Se calcula como W = F · d · cos θ y se mide en julios.
¿En qué unidades se mide el trabajo?
En el Sistema Internacional se mide en julios (J), donde 1 J equivale a 1 newton por metro. En el sistema cegesimal se usa el ergio.
¿Cuándo el trabajo es nulo?
Cuando no hay desplazamiento o cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento (θ = 90°). Por ejemplo, la fuerza normal sobre un cuerpo que se mueve horizontalmente no realiza trabajo.
¿Puede el trabajo ser negativo?
Sí. Es negativo cuando la fuerza tiene sentido contrario al desplazamiento, como el rozamiento, y entonces reduce la energía del cuerpo.
¿Qué diferencia hay entre trabajo y potencia?
El trabajo mide la energía transferida; la potencia mide la rapidez con que se transfiere, es decir, el trabajo realizado por unidad de tiempo.
Referencias
- Resnick, R., Halliday, D. y Krane, K. S. Física (varias ediciones). México: Grupo Editorial Patria.
- Tipler, P. A. y Mosca, G. Física para la ciencia y la tecnología. Barcelona: Reverté.
- Young, H. D. y Freedman, R. A. Sears y Zemansky. Física universitaria. México: Pearson.
Cómo citar este artículo
Equipo de Conceptualia. (2026). «Trabajo (física)». Conceptualia. https://conceptualia.es/ciencias-naturales/fisica/trabajo-en-fisica/
