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Rc~Cf\ aun~ lo~ ucrct·hu~ para IOUU~ lo~ pai~c~. Ninguna parte u.: ~ el fundamento u origen de algo, todo aquello de lo que deriva una finalidad o resultado, en definitiva, lo que produce un «efecto, que, casi siempre, es fácilmente perceptible por los sentidos. Interpretamos por efecto, todo aquel acontecer que resulta de la presencia y acción de una causa. Se relaciona la causa con el motivo, y el efecto con la consecuencia, de tal modo que ambas expresiones «causaefecto>> son inseparables, estando totalmente ligadas entre sí. Al referirnos a la labor intelectual de un científico, surge como paradoja el hecho de que no podamos manifestarnos, cabalmente convencidos, diciendo que realiza un trabajo ya que, como veremos más adelante, su trabajo solamente estará representado por el efectuado al mover el útil de escritura sobre las hojas de su libreta de apuntes o sobre la pizarra de su laboratorio, al transmitir la labor de su cerebro al exterior. ¿Está bien dicho «labor de su cerebro, o ... quizá diríamos ... «energía, de su cerebro? Tendríamos que expresarnos añadiendo algo más, para no incurrir en error, diciendo que hace un «trabajo intelectual>>, lo cual difiere de la idea estricta que tenemos del trabajo físico. Analizaremos, por separado, cada uno de los conceptos mencionados, ya que en ocasiones son impropiamente utilizados. Se habla ... «el atleta realizó un gran trabajo al sostener las pesas de 200 kg». El sentido de la frase es incorrecto, pues si bien hizo un grandísimo esfuerzo, no llegó a efectuar ningún trabajo, mientras las pesas eran sostenidas en alto. Sólo y exclusivamente ejecutó trabajo real, positivo, al levantar la barra con las pesas. Al descenderlas, y siempre y cuando no las soltase bruscamente o se dejase arrastrar por las mismas, aplicó una fuerza que llevó a la consecución de un trabajo, contrarrestando el realizado por la propia acción de la gravedad (fig. 5).

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Energía

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¿Qué es energía? Para responder, con cierto fundamento, a esta pregunta tan escuetamente formulada, no tenemos más remedio que valernos de lo que detectamos por los propios sentidos. Podemos decir que es «algo latente,; sabemos que se encuentra a nuestro alrededor, e incluso, en nosotros mismos pero, aparentemente, está oculta. No conocemos con exactitud la causa de su existencia y, en consecuencia, tampoco su origen ni su naturaleza. Llegamos a la conclusión de que, el concepto de energía, no es en absoluto intuitivo, es decir, no se comprende con claridad; sin embargo, es tan esencial e imprescindible para la inteligenci~ como los conceptos de materia, de espacio físico o de tiempo. Hemos de recurrir, inevitablemente, a los efectos que la propia energía produce para hacer, lo más acertadamente posible, una definición generalizada de la misma. Exponemos que, ENERGIA, ES AQUELLO QUE PUEDE DAR ORIGEN O EXISTENCIA A UNA FUERZA. Para los griegos, la palabra «energeia, indicaba ((fue¡za en acción,.

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Basándonos en los efectos aludidos, decimos que, ENERGIA, ES LA CAPACIDAD QUE POSEE 1A-MJU:ERIA-~aA-P-ODER-eBOOIICIB CALOBJBABAJO EN FORMA DE MOVIMIENTO, LUZ, CRECIMIENTQ..BIOLO..GJCO......e.tc... Se considera materia, a todos los cuerpos sólidos, líquidos y gaseosos existentes.

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Igualmente, se puede entender por energía, la CAUSA QUE DETERMINA LOS CAMBIOS DE PROPIEDADES DE LOS CUERPOS.

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A lo largo del texto, vamos a representar la energía con la letra E.

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2.1.1.

Energía potencial y energía cinética

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La energía se encuentra de dos formas muy concretas, en razón del estado de reposo o movimiento de los cuerpos en los que radica su origen. Distinguiremos: Energía potencial También se conoce como energía de posición. La representaremos con las

letra~

Interpretamos por tal, la energía que poseen los cuerpos en reposo. En el caso de masas líquidas, corresponde a la energía contenida en éstas respecto a planos horizontales o puntos inferiores de referencia, por lo que igualmente se identifica como energía de presión o gravitatoria. Dicha definición podemos referirla a los cuerpos en función de: Su composición química Su equilibrio molecular La presión ejercida Etc. Simplificando, diremos· que energía potencial es la energía almacenada en la materia.

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Ejemplos: -

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Fórmula:

Agua embalsada en un pantano, o retenida en una tubería. Vapor almacenado en el interior del calderín y de los tubos de una caldera de vapor.. Muelle comprimido, dispuesto a extenderse cuando sea liberado del enclavamiento que lo retiene. Gasolina contenida en el depósito de un vehículo. Arco tensado, manteniendo una flecha en disposición de lanzamiento.

Para la expresión matemática de la energía potencial, relacionada con la acción de la gravedad, tenemos:

en la que: EP = energía potencial en Julios (J). m = ~ del cuerpo en kilogramos masa (kg-masa) o (kg). g = aceleración de la_ gravedad, 9,8 metros por segundo cuadrado (9,8 mfs2). h = altura en metros (m), a que se encuentra situado el cuerpo, sobre un plano de referencia, respecto al cual se determina el valor de EP.

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Llamada también ~ía de velocidad o de movimiento, la cual se suele representar con las letraW

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Denominamos así a la energía que procede de los cuerpos en movimiento, o de las partes constitutivas de los mismos, como son las moléculas.

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En definitiva, energía cinética es la energía que se hace presente en forma de movimiento.

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Energía cinética

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Ejemplos: -

Fórmula:

Agua que circula por una tubería e incide sobre el rodete de una turbina hidráulica, haciéndola girar. Vapor accionando una turbina de vapor. Muelle extendiéndose, haciendo funcionar un martillo mecánico. Explosión de la mezcla aire-gasolina en el cilindro del motor de un vehículo, provocando el movimiento del émbolo correspondiente. Flecha surcando el espacio, al destensarse el arco.

bmj en la que: Ek = energía cinética en Julios. m =masa del cuerpo en kg. v = velocidad del cuerpo en metros por segundo (m/s).

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2.1.2.

)

Manifestaciones de la energía

De distintas maneras se da a conocer o se manifiesta la energía. Antes de hacer una relación de las mismas, más o menos detallada, conviene indicar que casi toda la energía de que disponemos procede del Sol. El es la causa de los vientos, de la evaporación de las aguas superficiales, creación de nubes, lluvias, etc. Su calor y su luz, son la base de infinidad de procesos químicos actuales y antiguos, ejemplo de estos últimos es la formación de la hulla. Al Sol, se deben las reacciones bioquímicas que dan origen a la vida vegetal y animal. Es una fuente de energía, aparentemente, inagotable. Establecer una enumeración pormenorizada de las formas de presentarse la energía, bien espontáneamente o aquellas otras en las que interviene la mano del hombre, sería una labor difícil, dadas las innumerables aplicaciones tecnológicas que de la misma se hace actualmente, y más aún si se tienen que distinguir los aspectos de energía potencial o cinética, lo que conlleva mayores clasificaciones, las cuales no vienen al caso.

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) Sin pretender aislar denominaciones, pues pueden tener sentido tanto para una como para otra de las clasificaciones que reseñamos a continuación, consideramos, en primer Jugar, la energía según sus fuentes más naturales e independientes, sin intervención directa del hombre. Destacamos las siguientes:

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Energía solar

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• En forma de radiaciones luminosas, caloríficas y electromagnéticas.

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Energía química

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• Contenida en cuerpos combustibles.

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Energía bioquímica

) • Presente en el desarrollo de los seres vivos.

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Etc. A continuación, se citan las fuentes de energía en las que la participación del hombre se hace obligada, por ser necesario el control de las mismas, tanto en sus principios como en las sucesivas utilizaciones que de ellas se hacen. Así tenemos: -

Energía hidráulica

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• Producida por el movimiento de las masas de agua. Movimiento logrado bien por la caída de corrientes de agua, debidas a la acción de la gravedad terrestre, o por la subida y bajada de las mareas, cuyo origen radica en la gravitación lunar y solar. -

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Energía térmica o calorífica • Obtenida por la combustión de un cuerpo combustible. • Utilizada en un radiador eléctrico.

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Energía eólica • Generada por los vientos. Energía nuclear • Derivada de la fisión o «fraccionamienton de los núcleos de elementos pesados, como el uranio (fig. 6 a). • Ta~bién de la fusión o «uniónn de los núcleos de elementos de peso atómico bajo, como el deuterio o el tritio (ambos, isótopos del hidrógeno) (fig. 6 b). FISION (Rotura)

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NÚcleos de Uranio

NÚcleos de Deuterio ( b)

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~~ ~N::dn Fig. 6.- Reacciones nucleares. (a).-fisión; (b).-fusión.

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Energía mecánica • Obtenida en una turbina de agua, vapor o gas. • Utilizada en un motor eléctrico o de explosión.

• Producida en un generador eléctrico. Energía luminosa o radiante • Conseguida en lámparas eléctricas de todo tipo, superficies reflectantes, etc.

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Energía acústica

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• Puesta de relieve en los fenómenos sonoros. Etc.

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2.1.3. Transformaciones de la energía ¿Podemos hablar de energía ... o tal vez de ((energías))? Rotundamente atenderemos y entenderemos una expresión singular, LA ENERGIA. Ello no obstaculiza el hecho de que determinemos que la energía se muestra de variadas maneras~ como ha quedado expuesto en el apartado anterior. Símil:

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El señor José Pérez López, es un único personaje, ahora bien, puede atender a todos y cada uno de los vocablos José, Pepe, Pérez y López. Dichas expresiones, por separado o conjuntamente, nunca representarán varias personas.

Las diferentes formas de energía, pueden transformarse unas en otras. Así tenemos que, la energía potencial de una masa de agua, convenientemente estancada (fig. 7), se transforma en energía cinética al caer desde una determinada altura por un conducto, dando origen a una energía hidráulica, la cual, al incidir sobre el rodete de una turbina y hacerle girar, proporciona una energía mecánica. Esta, al mover al rotor de un generador eléctrico, produce energía eléctrica que, adecuadamente transportada y distribuida, puede pasar a ser nuevamente energía hidráulica en el caso de poner en movimiento masas de agua por medio de bombas hidráulicas, energía mecánica en las propias bombas y motores que las accionan, energía calorífica en hornos de inducción o radiadores de calefacción, etc.

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Fig. 7.- Sucesiva transformación de la energía, partiendo de su manifestación hidráulica.

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Todo ello es debido a una serie de cambios o transformaciones de la energía primitiva, que... ¿Cuál habría sido en el ejemplo expuesto? Indiscutiblemente la energía potencial del agua embalsada, pero ... ¿Por qué no las distintas formas de energía presentes en el ciclo natural «evaporación de superficies de agua- nubes -lluvia- ríos- embalse))? La participación del hombre ha sido clave para obtener y controlar las sucesivas transformaciones de la energía, al objeto de economizar sus propias fuerzas y mejorar las condiciones de vida. Para ello creó máquinas de todo tipo y construyó grandes obras de diversa índole que, por sí mismas, no producen energía pero, oportunamente gobernadas y controladas, pueden dar origen a las transformaciones mencionadas.

2.1.4.

Principio de conservación de la energía

Existen varias expresiones, más o menos teorizantes, que responden a este enunciado. Vamos a indicar la que consideramos más sencilla, teniendo en cuenta que por tratarse de un principio no se puede demostrar, comprobándose por un conjunto de consecuencias. Se establece, como tal principio, que LA ENERGIA NI SE CREA NI SE DESTRUYE, SOLAMENTE SE TRANSFORMA._ r

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Ampliamos la idea expuesta, diciendo que la cantidad total de energía de un sistema aislado es constante, cualesquiera que sean las transformaciones de energía en el interior de dicho sistema. Podemos presuponer que, la energía total del Universo, permanece constante desde la creación del mismo, por muchas estrellas o constelaciones que se hayan destruido o se estén formando.

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2.1.5.

Principio de degradación de la energía

1

Al realizarse una transformación de energía de una forma a otra, siempre aparece energía térmica, aunque no interese su obtención. Es una energía térmica no utilizable, pero ello no quiere decir que no se cumpla el principio de conservación, ya que, en ningún momento, hay destrucción de energía. Se deduce que, la cantidad de energía obtenida en el modo deseado, es siempre inferior al valor de la e~cialmente empleada. -

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Ejemplos:

Cuando se transforma la energía química potencial del carbón en energía calorífica, y luego en energía mecánica en la turbina de vapor, esta última energía representa una parte muy débil de la primitiva. El resto no se ha destruido ni ha desaparecido, pero se ha transformado en energía térmica no útil, la cual se ha disipado en los distintos componentes de la instalación (fig. 8 a). Un motor eléctrico, conectado a la red, se calienta. Deducimos que una parte de la energía eléctrica _se transforma en calor, por lo que, el valor de la energía mecánica obtenida, no es igual al de la energía inicial (fig. 8 b).

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Fig. 8.- Representación esquemática de los principios de conservación y degradación de la energía.

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En el caso concreto de la transformación directa de energía eléctrica en calorífica, se puede estimar que existe una mínima degradación o pérdida (fig. 8 e).

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2.2.

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Fuerza

1

Esta expresión, que normalmente se representa con la letr@ya no nos coge desprevenidos. Su lectura o audición, no nos produce impresión de desconocimiento. Recordemos... «energía es aquello que puede dar origen o existencia a una FUERZA». Entendemos que la fuerza es el efecto o resultado obtenido como consecuencia de la existencia de una causa o motivo que es la energía. Además, nosotros mismos, podemos percibir la sensación de fuerza al ejercer una presión sobre la superficie de un cuerpo, al mantener elevado un objeto sin que caiga, cuando lanzamos una piedra, etc. La idea de fuerza la asociamos con el esfuerzo muscular que desarrollamos, o con la capacidad de acción de las máquinas. Ahora bien, ¿Cómo definir físicamente el concepto de fuerza? En base a lo expuesto diremos que, FUERZA, ES LA CAUSA CAPAZ DE MODIFICAR El ESTADO DE REPOSO O

MOVIMIENTO DE lOS CUERPOS, O DE DEFORMARlOS TEMPORAl O PERMANENIEMENTE. Tal definición, ha de considerarse con un significado generalizado, haciéndola extensiva a la propia constitución de la materia. Ejemplos: -

Al estirar un muelle, estamos aplicando una fuerza que deforma al cuerpo en cuestión. Las deformaciones originadas en un cuerpo, al elevar su temperatura, son producidas por la acción de fuerzas intermoleculares.

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Fórmula:

en la que: F = fuerza en Newtones (N). m = masa del cuerpo en kg. a =aceleración, positiva o negativa, en metros por segundo cuadrado (m/s2). Dado el grado de comprensión imprescindible que ha de tenerse de los fenómenos físicos, debemos ampliar la definición de fuerza añadiendo, a lo ya expuesto, que ES lA CAUSA CAPAZ DE PROVOCAR ACELERACIONES POSITIVAS O NEGATIVAS EN LOS CUERPOS. Ejemplos: -

Aceleración positiva. Un ciclista, al aplicar con sus pies la fuerza necesaria sobre los pedales, origina una . aceleración al conjunto ciclista-bicicleta.

-

Aceleración negativa. Al poner en funcionamiento los mecanismos de frenos de un vehículo, la fuerza desarrollada por las zapatas y pastillas sobre los tambores y discos de las ruedas, provoca una aceleración negativa o desaceleración del vehículo.

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Tanto los efectos de deformaciones o aceleraciones, pueden realizarse por contacto directo del agente productor con el cuerpo, o transmitidas a distancia como sucede en los llamados campos de fuerzas. Ejemplos: -

De contacto directo. Fuerza necesaria para comprimir un muelle. De transmisión a distancia. Fuerza de atracción de la Tierra sobre los cuerpos, llamada fuerza de gravedad.

No olvidemos que, la noción de peso, representa la fuerza conque un cuerpo es atraído por la acción de la gravedad. -==Fórmula: \P=mg] en la que: P = peso del cuerpo en Newtones. m

= masa del cuerpo en kg.

g = aceleración de la gravedad, 9,8 m/s2. Usualmente, el peso de los cuerpos se mide en kilogramos fuerza (kgf), siendo 1 kgf = 9,8 N (1 ).

( 1)

El SISTEMA INTERNACIONAL DE UNIDADES (SI), desaconseja la utilización del kgf como unidad de medida.

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El concepto de peso no ha de confundirse, en ningún momento, con el de masa, término este que, por intuición, nos indica cantidad de materia; y, físicamente, define al valor constante de las sucesivas razones:

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Fuerza aplicada a un cuerpo

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Para designar a la unidad de masa, se emplean, entre otros, los términos de kilogramo-masa (kg-masa) o kilogramo (kg), siendo este último al que hacemos referencia en el texto ..

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Clasificación de las fuerzas

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Se pueden establecer dos grandes grupos de clasificación de fuerzas.

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Fuerzas motoras

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Fuerzas resistentes Opuestas a las anteriores, ya que tienden a impedir el movimiento. Ejemplos: -

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Principio de inercia

Primeramente recordaremos que, INERCIA, ES LA PROPIEDAD DE LA MATERIA QUE \ HACE QUE lOS CUERPOS NO PUEDAN MODIFICAR, POR SI MISMOS, SU ESTADO DE ' EP O O DE MOVIMIENTO UNIFORME.

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Es decir, los cuerpos oponen una resistencia a modificar su estado de reposo o de movimiento; siendo necesaria la aplicación de una fuerza, capaz de vencer dicha resisten··cia, cuando se desea modificar el estado mencionado. Ejemplos: -·Un balón, colocado en el centro del campo, necesita de una fuerza para ser puesto en movimiento. El mismo balón, una vez lanzado, necesita la aplicación de una fuerza para que lo detenga o lo desvíe de su trayectoria inicial.

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-15-

El principio de inercia, basado en hechos puramente experimentales, se define de la forma siguiente, UN CUERPO EN REPOSO, NO SOMETIDO A LA ACCION DE NINGUNA FUERZA, SIGUE EN REPOSO. UN CUERPO EN MOVIMIENTO, NO SOMETIDO A LA ACCION DE NINGUNA FUERZA, CONTINUA EN MOVIMIENTO. Tengamos presente que nos referimos a un movimiento rectilíneo y uniforme. Otra expresión, que complementa la definición del principio de inercia, es como sigue: todo cuerpo, abandonado a sí mismo, po$ee aceleración nula.

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2.2.3.

Principio de acción y reacción

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Siempre que sobre un cuerpo actúa una fuerza y éste no se mueve, es debido a que existe otra fuerza contraria a aquella de tal modo que la neutraliza, anulando su acción. Ello se concreta en el principio mencionado que dice, A TODA FUERZA QUE EJERCE UNA ACCION, lE CORRESPONDE OTRA FUERZA IGUAl Y DE SENTIDO CONTRARIO DENOMINADA DE REACCION.

Ejemplo: -

Una columna de agua situada en el interior de una tubería (peso del agua = fuerza de acción) no cae cuando la retiene el cierre de una válvula (fuerza de reacción).

Dicho principio, se hace extensivo también a los cuerpos o sistemas en movimiento.

2.3.

Trabajo

Instintivamente, por trabajo, entendemos todo tipo de actividad o esfuerzo humano. ¿Nos conformamos con tal idea? En absoluto, dentro del campo de la Física, no nos vale el concepto así concebido. El mecánico, el electricista, el proyectista, etc., tienen un sentido más concreto de la palabra «trabajo»; les representa algo más. Saben que, para que exista trabajo, se necesita la acción de una fuerza y, al mismo tiempo, que ésta provoque un desplazamiento del cuerpo, o de los componentes del mismo, sobre el cual actúa.

Ejemplo: -

En un circuito eléctrico se puede disponer de una fuerza electromotriz pero, si el interruptor está abierto, no existe desplazamiento de electrones, lo que motiva que no se produzca un trabajo en cualquiera de los re

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