Introducción a la potencia mecánica
Potencia mecánica es la rapidez con la que se realiza un trabajo, y por eso explica situaciones que a simple vista parecen iguales. ¿Por qué dos personas pueden subir la misma escalera cargando el mismo peso y, aun así, una llega respirando agitada mientras la otra ni se despeina? ¿Por qué un auto deportivo alcanza 100 km/h en pocos segundos y otro familiar de masa parecida tarda bastante más, si ambos terminan con la misma velocidad?
La respuesta no depende solo del trabajo que se realiza, sino de qué tan rápido se realiza. Esa rapidez es justo lo que mide la potencia mecánica, una idea que verás cada vez que te encuentres con un motor, un ascensor, una bombilla o el cargador de tu teléfono.
| Escenario para pensar Imagina que debes subir una caja de libros de 20 kg por una escalera hasta una altura de 3 m. El lunes la subes corriendo en 10 segundos; el martes la subes con calma en 60 segundos. ¿En cuál de los dos días hiciste más trabajo? ¿En cuál usaste más potencia? Al final de este artículo tendrás las herramientas para responder con números. |
Objetivo de aprendizaje.
Al terminar podrás:
- Explicar con tus palabras qué es la potencia mecánica y en qué se diferencia del trabajo y de la energía.
- Calcular la potencia con las fórmulas P = W/t y P = F·v, usando las unidades correctas (watt, kilowatt, caballo de fuerza).
- Interpretar la eficiencia de una máquina y la relación entre potencia y consumo de energía en kilowatt-hora.
- Resolver problemas de la vida cotidiana y de tecnología moderna aplicando la potencia mecánica.
- Evitar los errores más frecuentes al trabajar con potencia.
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Terminología clave de la potencia mecánica
Antes de usar las fórmulas, conviene que tengas claro el vocabulario. Este glosario visual reúne cada término con una definición corta y un ejemplo cotidiano.
Magnitud física fundamental
- Tiempo (t): Duración durante la cual ocurre el trabajo. Se mide en segundo (s). Ejemplo: Los 8 segundos que tarda un ascensor en subir un piso.
Magnitudes relacionadas con la mecánica
- Fuerza (F): Interacción que empuja o jala un objeto. Se mide en newton (N). Ejemplo: Empujar un carrito del supermercado.
- Trabajo (W): Energía transferida por una fuerza que mueve un objeto. Se mide en joule (J). Ejemplo: Levantar una mochila del suelo hasta la mesa.
- Energía (E): Capacidad de producir cambios o realizar trabajo. Se mide en joule (J). Ejemplo: La energía almacenada en la batería de tu celular.
- Potencia (P): Rapidez con que se realiza un trabajo o se transfiere energía. Ejemplo: Un motor potente sube la misma carga en menos tiempo.
- Torque o par (τ) y velocidad angular (ω): Torque: efecto de giro de una fuerza. Velocidad angular: rapidez de giro en rad/s. Ejemplo: El motor de un taladro.
Tipos de potencia
- Potencia media: Trabajo total dividido entre el tiempo total empleado. Ejemplo: Los 98 W promedio al subir una caja por una escalera.
- Potencia instantánea: Potencia en un instante exacto; puede cambiar mientras el objeto se mueve. Ejemplo: La lectura de un medidor de potencia en una bicicleta en un instante dado.
Unidades de potencia
- Watt (W): Unidad de potencia en el SI: 1 W = 1 J/s. Ejemplo: Un foco LED de 10 W.
- Caballo de fuerza (hp) y caballo de vapor (CV): Unidades tradicionales: 1 hp ≈ 745,7 W y 1 CV ≈ 735,5 W. Ejemplo: Un motor de moto de 20 hp.
Unidad de energía
- Kilowatt-hora (kWh): Unidad de energía, no de potencia: 1 kWh = 3,6 × 106 J. Ejemplo: El consumo que aparece en tu recibo de luz.
Relación de desempeño
- Eficiencia (η): Fracción de la potencia de entrada que se convierte en potencia útil. Ejemplo: Un motor eléctrico que aprovecha el 90 % de lo que consume.
Los términos no son piezas sueltas: se conectan entre sí. La fuerza produce trabajo cuando mueve un objeto; el trabajo es energía transferida; y al dividir ese trabajo entre el tiempo empleado obtienes la potencia. El mapa conceptual de la Figura 1 muestra esas relaciones y deja claro que el kWh pertenece a la energía, no a la potencia.
¿Qué es la potencia mecánica? Definición y significado físico
La potencia mecánica es la rapidez con la que una fuerza realiza trabajo, o de manera equivalente, la rapidez con la que se transfiere energía mecánica de un sistema a otro.
Dos máquinas pueden hacer exactamente el mismo trabajo. La que lo hace en menos tiempo tiene mayor potencia. Por eso la potencia responde a la pregunta: ¿qué tan rápido?
Trabajo y tiempo: los dos ingredientes de la potencia
Recuerda que una fuerza constante realiza trabajo cuando desplaza un objeto una distancia d. Si la fuerza forma un ángulo θ con el desplazamiento, solo cuenta la componente paralela:
Este trabajo se mide en joule (J). Ahora agrega el tiempo t que duró la acción y tendrás la potencia.
Fórmula de la potencia mecánica media
En palabras: la potencia media es el trabajo realizado dividido entre el tiempo empleado. Si duplicas el trabajo en el mismo tiempo, la potencia se duplica. Si haces el mismo trabajo en el doble de tiempo, la potencia se reduce a la mitad.
| Recuerda Potencia = trabajo ÷ tiempo. Es una rapidez, como la velocidad es distancia ÷ tiempo. Su unidad en el Sistema Internacional es el watt: 1 W = 1 J/s. |
Unidades de potencia: watt, kilowatt y caballo de fuerza
El watt (W) se define como un joule por segundo. Como es una unidad pequeña, en la práctica se usan múltiplos y otras unidades tradicionales.
| Unidad | Símbolo | Equivalencia | Dónde la verás |
| Watt | W | 1 J/s | Focos, cargadores, dispositivos electrónicos |
| Kilowatt | kW | 1000 W | Motores de autos eléctricos, hornos, calentadores |
| Megawatt | MW | 1 000 000 W | Turbinas, trenes de alta velocidad, plantas pequeñas |
| Gigawatt | GW | 109 W | Centrales eléctricas y sistemas eléctricos completos |
| Caballo de fuerza | hp | ≈ 745,7 W | Motores de motos, lanchas, herramientas |
| Caballo de vapor | CV | ≈ 735,5 W | Fichas técnicas de autos en Europa y Latinoamérica |
Potencia media y potencia instantánea
La potencia media describe todo un intervalo de tiempo. Pero en muchos casos la fuerza o la velocidad cambian mientras algo se mueve, y necesitas la potencia en un instante concreto. Entonces se usa la potencia instantánea, que es la derivada del trabajo respecto del tiempo, es decir, la rapidez con que se realiza trabajo en ese instante:
Si una fuerza constante actúa sobre un objeto que se mueve con velocidad v, y el ángulo entre ambas es θ, la potencia instantánea se calcula así:
Cuando la fuerza y la velocidad tienen la misma dirección, cos θ = 1 y la fórmula se reduce a una de las más útiles de la mecánica:
Fórmulas de la potencia mecánica: cuadro resumen
Estas son las expresiones que usarás con más frecuencia. Elige la que mejor encaje con los datos del problema.
| Situación | Fórmula | Cuándo usarla |
| Potencia media | $$P = \frac{W}{t}$$ | Conoces el trabajo y el tiempo. |
| Fuerza y velocidad | $$P = F\,v\,\cos\theta$$ | Fuerza constante y velocidad conocida (potencia instantánea). |
| Cambio de energía | $$P = \frac{\Delta E}{t}$$ | Se conoce la energía transferida o transformada. |
| Elevar una carga | $$P = \frac{m\,g\,h}{t}$$ | Subes una masa m una altura h en un tiempo t, a velocidad constante. |
| Rotación | $$P = \tau\,\omega$$ | Motores, ejes y ruedas que giran. |
| Eficiencia | $$\eta = \frac{P_{\text{útil}}}{P_{\text{entrada}}}$$ | Comparas lo aprovechado con lo consumido. |
Potencia, energía y kilowatt-hora
Si conoces la potencia y el tiempo durante el que funciona un aparato, puedes calcular la energía transferida. Despejando de la definición:
De aquí surge el kilowatt-hora, la unidad que aparece en el recibo de luz. Es la energía que consume un aparato de 1 kW funcionando durante 1 hora:
1 kWh = 1000 W × 3600 s = 3,6 × 106 J
| Atención El kWh es una unidad de energía. Decir que “un horno tiene 2 kWh de potencia” es incorrecto: tiene 2 kW de potencia y, si funciona una hora, consume 2 kWh de energía. |
Potencia y eficiencia de una máquina
Ninguna máquina real aprovecha toda la potencia que recibe. Parte se pierde como calor, ruido o fricción. La eficiencia mide qué fracción de la potencia de entrada se convierte en potencia útil:
Se expresa como número entre 0 y 1, o como porcentaje. Como la energía no se crea, siempre se cumple que η ≤ 1 (100 % como máximo); en las máquinas reales, η < 1.
Potencia en el movimiento de rotación
En un motor, una rueda o un taladro, la fuerza se aplica con giro. Si el motor entrega un torque τ y el eje gira con velocidad angular ω, la potencia es:
La velocidad angular en rad/s se obtiene de las revoluciones por minuto (rpm) con la conversión:
donde n son las rpm. Al combinar esta conversión con P = τ·ω se ve que un motor puede entregar la misma potencia con mucho torque a baja velocidad o con poco torque a alta velocidad.
Potencia contra la resistencia del aire: por qué la velocidad “cuesta” tanto
Cuando un vehículo avanza a velocidad constante, el motor debe compensar la resistencia del aire (además de la fricción de rodadura). Para velocidades habituales, esta fuerza crece con el cuadrado de la velocidad:
Aquí ρ es la densidad del aire, Cd el coeficiente de arrastre y A el área frontal. Si sustituyes esta fuerza en P = F·v, obtienes la potencia necesaria solo para vencer al aire:
La potencia depende del cubo de la velocidad. Al duplicar la velocidad, la potencia contra el aire se multiplica por 8. Por eso viajar rápido consume tanto combustible o batería.
Aplicaciones reales de la potencia mecánica y estudios recientes
Autos eléctricos frente a autos de combustión
La eficiencia se vuelve decisiva en el transporte. El Departamento de Energía de Estados Unidos (fueleconomy.gov) indica que un vehículo eléctrico lleva a las ruedas más del 77 % de la electricidad que toma de la red, mientras que uno de gasolina solo aprovecha entre el 12 % y el 30 % de la energía almacenada en el combustible. En términos de potencia, para entregar los mismos kW a las ruedas, el auto de combustión necesita una potencia de entrada varias veces mayor.
Centros de datos e inteligencia artificial
La potencia no es solo cosa de motores. En su informe Energy and AI (2025), la Agencia Internacional de Energía (IEA) calcula que los centros de datos consumieron unos 415 TWh en 2024, cerca del 1,5 % de la electricidad mundial, y que en su escenario base ese consumo se duplicaría hasta unos 945 TWh hacia 2030. Si conviertes esa energía anual en potencia media (energía ÷ tiempo), obtienes entre 47 GW y 108 GW funcionando sin descanso, como verás calculado en el Ejemplo 5.
Energía hidroeléctrica y eólica
En una central hidroeléctrica, el agua que cae desde una altura h con un caudal Q (en m³/s) entrega potencia a la turbina. Con una eficiencia η, la potencia eléctrica es:
En una turbina eólica, el viento que atraviesa un área A con velocidad v transporta una potencia proporcional a v³. Solo una parte se aprovecha, descrita por un coeficiente de potencia Cp:
El límite teórico de Betz establece que ninguna turbina puede aprovechar más de aproximadamente el 59 % de la potencia del viento.
Deporte y cuerpo humano
Un ciclista recreativo puede sostener del orden de 100 a 200 W durante una hora, mientras que un ciclista profesional puede acercarse a los 300–400 W en esfuerzos prolongados. En reposo, tu cuerpo libera calor a un ritmo cercano a los 100 W, como si fueras una bombilla incandescente.
Errores comunes al trabajar con potencia mecánica
- Confundir el kWh con una unidad de potencia. El kWh mide energía; el kW mide potencia.
- Creer que más potencia significa más trabajo. El trabajo depende de cuánto tiempo actúe la potencia: W = P·t.
- Olvidar el ángulo. Si la fuerza no es paralela al movimiento, debes incluir cos θ.
- Mezclar unidades. Convierte siempre km/h a m/s y minutos u horas a segundos antes de calcular en watt.
- Usar P = F·v como si fuera potencia media cuando la velocidad cambia: esa expresión da la potencia en un instante.
- Pensar que la eficiencia puede ser mayor que 100 %. Ninguna máquina entrega más de lo que recibe.
- Suponer que sostener una carga quieta requiere trabajo mecánico. Si no hay desplazamiento, el trabajo mecánico es cero (aunque tus músculos sí gasten energía).
- Creer que al duplicar la velocidad se duplica la potencia contra el aire. Se multiplica por 8.
| Resumen clave del artículo • La potencia mecánica mide qué tan rápido se realiza un trabajo: P = W/t. • Su unidad es el watt (1 W = 1 J/s). El kWh es energía, no potencia. • Con fuerza y velocidad paralelas, P = F·v; con giro, P = τ·ω. • La eficiencia compara la potencia útil con la de entrada; no puede superar 1 y, en máquinas reales, es menor que 1. • Contra el aire, la potencia crece con el cubo de la velocidad. |
Simulador para explorar la potencia mecánica con “La Rampa” de PhET
Para este tema, la mejor opción es La Rampa, de PhET Interactive Simulations de la Universidad de Colorado Boulder. En ella empujas objetos de distinta masa por un plano inclinado, controlas el ángulo, la fricción y la fuerza aplicada, y puedes abrir gráficas de trabajo y de energía. Con esos datos y un cronómetro, tú mismo calculas la potencia.
Ten en cuenta que la simulación no muestra la potencia directamente. Esa es la ventaja pedagógica: te obliga a construirla a partir del trabajo y del tiempo.
Cómo explorar: predecir antes de ver
Usa el método “predice, observa, explica”. Escribe tu hipótesis antes de mover cualquier control.
| Paso | Predice (antes de ver) | Observa (en el simulador) | Explica (después) |
| 1 | Si empujas el objeto con más fuerza por la misma rampa, ¿qué pasará con el trabajo y con el tiempo? | Aumenta la fuerza aplicada y observa el gráfico de trabajo y el tiempo que tarda. | ¿Cambió la potencia? Calcula P = W/t. |
| 2 | Si subes el ángulo de la rampa, ¿qué pasará con la fuerza necesaria y con el trabajo para llegar a la misma altura? | Cambia el ángulo y compara las fuerzas y la energía potencial ganada. | ¿Es igual el trabajo a la misma altura? ¿Y la potencia si tardas distinto tiempo? |
| 3 | Si activas la fricción, ¿la energía se conserva en el objeto? | Compara las barras de energía con y sin fricción. | ¿Dónde “se va” la energía? Relaciónalo con la eficiencia. |
| 4 | Si subes el objeto a la mitad del tiempo, ¿qué pasará con la potencia? | Repite el recorrido más rápido y cronometra. | Comprueba que duplicaste la potencia media. |
| Reto rápido con el simulador Sube el mismo objeto hasta la misma altura de dos maneras distintas: lento y rápido. Anota el trabajo y el tiempo en cada caso y demuestra que el trabajo es el mismo pero la potencia no. |
Problemas resueltos de potencia mecánica. Parte I
Los siguientes problemas van de lo sencillo a lo más elaborado y mezclan situaciones cotidianas, tecnología moderna y estudios de caso. Usa g = 9,8 m/s² en todos ellos.
1. Subir una caja por la escalera (vida cotidiana)
Una persona sube una caja de 20 kg hasta una altura de 3 m en 6 s, con velocidad constante. ¿Qué potencia media desarrolla?
Datos: m = 20 kg; h = 3 m; t = 6 s; g = 9,8 m/s².
Solución paso a paso
1. Calcula el trabajo necesario para elevar la caja (la fuerza que aplicas iguala su peso).
2. Divide el trabajo entre el tiempo.
Resultado: P = 98 W.
Interpretación física. Esa persona rinde casi lo mismo que un foco incandescente de 100 W. Si subiera la caja en 60 s, el trabajo sería el mismo, pero la potencia sería diez veces menor.
2. Energía que consume un horno microondas (vida cotidiana)
Un horno microondas de 1200 W funciona durante 2 min 30 s. ¿Cuánta energía transfiere, en joule y en kWh?
Datos: P = 1200 W; t = 2 min 30 s.
Solución paso a paso
1. Convierte el tiempo a segundos.
t = 2 min 30 s = 150 s
2. Despeja la energía de la definición de potencia.
3. Convierte a kWh usando 1 kWh = 3,6 × 106 J.
Resultado: E = 180 000 J = 0,05 kWh.
Interpretación física. Es una cantidad pequeña de energía porque el tiempo de uso es corto. En el recibo de luz, lo que pagas es la energía (kWh), no la potencia.
3. Motor de un ascensor (tecnología moderna)
El motor de un ascensor eleva 1000 kg (cabina y carga) una altura de 20 m en 25 s a velocidad constante; ignora el contrapeso. Su eficiencia es de 80 %. ¿Qué potencia útil entrega y qué potencia eléctrica consume?
Datos: m = 1000 kg; h = 20 m; t = 25 s; η = 0,80.
Solución paso a paso
1. Calcula la potencia útil (mecánica) necesaria para elevar la carga.
2. Usa la eficiencia para hallar la potencia de entrada.
Resultado: Pútil = 7,84 kW y Pentrada = 9,8 kW.
Interpretación física. Los 1,96 kW restantes se pierden como calor y fricción en el motor y en los cables.
4. Fuerza de tracción de un auto (vida cotidiana)
Un auto se mueve a 90 km/h por una carretera recta y plana. Su fuerza de tracción es de 900 N y equilibra exactamente a las resistencias. ¿Qué potencia entrega el motor a las ruedas, en kW y en hp?
Datos: F = 900 N; v = 90 km/h.
Solución paso a paso
1. Convierte la velocidad a m/s.
2. Como F y v tienen la misma dirección, usa P = F·v.
3. Convierte a caballos de fuerza.
Resultado: P = 22,5 kW ≈ 30,2 hp.
Interpretación física. Para mantener 90 km/h en plano, el auto necesita solo una fracción de la potencia máxima de su motor.
5. La potencia media de los centros de datos (estudio de caso)
La Agencia Internacional de Energía (IEA) estimó que los centros de datos del mundo consumieron unos 415 TWh de electricidad en 2024 y proyectó unos 945 TWh hacia 2030 en su escenario base. Calcula la potencia media equivalente en cada caso y exprésala como número de focos de 100 W encendidos todo el año.
Datos: E2024 = 415 TWh; E2030 = 945 TWh; un año tiene 8760 h.
Solución paso a paso
1. Expresa la energía en Wh y el tiempo en horas.
2. Calcula la potencia media de 2024 (energía ÷ tiempo).
3. Repite para 2030.
4. Expresa cada potencia en focos de 100 W encendidos todo el año.
Resultado: P2024 ≈ 47 GW y P2030 ≈ 108 GW; en 2024 equivale a unos 474 millones de focos de 100 W y en 2030, a unos 1080 millones (1,08 × 109), encendidos sin parar.
Interpretación física. Aunque aquí se trata de potencia eléctrica y no mecánica, el concepto es el mismo: energía transferida por unidad de tiempo. Además, la cifra de 2030 es una proyección, no un dato medido.
6. Ciclista en una subida (deporte)
Un ciclista y su bicicleta suman 80 kg. Suben una pendiente de 5° a velocidad constante de 5 m/s. Ignorando el aire y la fricción, ¿qué potencia mecánica necesita?
Datos: m = 80 kg; θ = 5°; v = 5 m/s.
Solución paso a paso
1. A velocidad constante, la fuerza que debe aplicar equilibra la componente del peso a lo largo de la pendiente.
2. Calcula la potencia con P = F·v.
Resultado: P ≈ 342 W.
Interpretación física. Es un esfuerzo exigente para un ciclista aficionado. Con viento o fricción real, la potencia requerida sería todavía mayor.
7. Auto eléctrico frente a auto de gasolina (estudio de caso)
Ambos autos necesitan entregar 60 kW a las ruedas. Un auto eléctrico tiene una eficiencia de 77 % (el Departamento de Energía de EE. UU. indica “más del 77 %”) y uno de gasolina de 25 % (dentro del rango de 12 % a 30 %). ¿Qué potencia de entrada requiere cada uno?
Datos: Pútil = 60 kW; ηEV = 0,77; ηgas = 0,25.
Solución paso a paso
1. Despeja la potencia de entrada de la definición de eficiencia.
2. Calcula para el auto eléctrico.
3. Calcula para el auto de gasolina.
4. Compara ambos resultados.
Resultado: El auto eléctrico necesita unos 77,9 kW y el de gasolina 240 kW.
Interpretación física. Con estos valores, el auto de combustión requiere unas 3 veces más potencia de entrada para lograr el mismo resultado en las ruedas. Los valores reales varían según el modelo y las condiciones de manejo.
8. Central hidroeléctrica (tecnología moderna)
Una turbina recibe un caudal de 50 m³/s de agua que cae desde 30 m de altura. Si la eficiencia total es de 85 %, ¿cuánta potencia eléctrica genera? Usa ρ = 1000 kg/m³.
Datos: Q = 50 m³/s; h = 30 m; η = 0,85; ρ = 1000 kg/m³.
Solución paso a paso
1. Cada segundo cae una masa de agua igual a ρ·Q. Con ella, la potencia disponible del agua es ρ·g·Q·h.
2. Aplica la eficiencia para obtener la potencia eléctrica.
3. Expresa en megawatt.
P ≈ 12,5 MW
Resultado: P ≈ 12,5 MW.
Interpretación física. Con esa potencia se podrían alimentar miles de hogares al mismo tiempo, según su consumo medio.
9. Motor eléctrico de un taladro (tecnología moderna)
Un motor entrega un torque de 12 N·m mientras gira a 1500 rpm. ¿Qué potencia mecánica desarrolla?
Datos: τ = 12 N·m; n = 1500 rpm.
Solución paso a paso
1. Convierte las rpm a velocidad angular en rad/s.
2. Aplica P = τ·ω.
3. Expresa en kilowatt.
P ≈ 1,89 kW
Resultado: P ≈ 1,89 kW.
Interpretación física. Si el mismo motor girara a la mitad de velocidad con el mismo torque, entregaría la mitad de la potencia.
10. El costo de la velocidad: resistencia del aire (estudio de caso)
Un auto tiene Cd = 0,30 y un área frontal A = 2,2 m². La densidad del aire es ρ = 1,2 kg/m³. Calcula la potencia necesaria solo para vencer la resistencia del aire a 20 m/s (72 km/h) y a 40 m/s (144 km/h).
Datos: Cd = 0,30; A = 2,2 m²; ρ = 1,2 kg/m³; v₁ = 20 m/s; v₂ = 40 m/s.
Solución paso a paso
1. Sustituye los datos constantes en la fórmula de potencia contra el aire.
2. Calcula para 20 m/s.
3. Calcula para 40 m/s.
4. Compara ambos resultados.
Resultado: P(20) ≈ 3,17 kW y P(40) ≈ 25,3 kW.
Interpretación física. Al duplicar la velocidad, la potencia contra el aire se multiplica por 8. Es la razón por la que la autonomía de un vehículo cae tanto en carretera a alta velocidad.
Problemas resueltos de potencia mecánica. Parte II
Ahora sube un escalón. Estos problemas aumentan poco a poco la dificultad: primero aplicas la fórmula directa y al final combinas potencia, fuerzas, energía y eficiencia. Intenta resolverlos tú antes de mirar la solución.
11. Potencia de un motor (nivel básico)
Un motor realiza 7200 J de trabajo en 12 s. Calcula su potencia media.
Datos: W = 7200 J; t = 12 s.
Solución paso a paso
1. Aplica la definición de potencia media.
Resultado: P = 600 W.
12. Bomba de agua (nivel básico)
Una bomba eleva 300 kg de agua hasta una altura de 10 m en 1 minuto. ¿Qué potencia útil desarrolla?
Datos: m = 300 kg; h = 10 m; t = 1 min = 60 s.
Solución paso a paso
1. Calcula el trabajo para elevar el agua.
2. Divide entre el tiempo.
Resultado: P = 490 W.
13. Trabajo y energía de un motor (nivel básico)
Enunciado. Un motor de 2 kW funciona durante 45 minutos. ¿Cuánto trabajo realiza, en joule y en kWh?
Datos: P = 2 kW = 2000 W; t = 45 min.
Solución paso a paso
1. Convierte el tiempo a segundos.
t = 45 × 60 s = 2700 s
2. Calcula el trabajo con W = P·t.
3. Calcula la energía en kWh con el tiempo en horas.
E = 2 kW × 0,75 h = 1,5 kWh
Resultado: W = 5,4 MJ = 1,5 kWh.
14. Grúa con velocidad constante (nivel básico-intermedio)
Una grúa levanta una carga de 500 kg con una velocidad constante de 0,4 m/s. ¿Qué potencia útil necesita?
Datos: m = 500 kg; v = 0,4 m/s.
Solución paso a paso
1. A velocidad constante, la fuerza de la grúa iguala al peso de la carga.
2. Aplica P = F·v.
Resultado: P = 1960 W ≈ 1,96 kW.
15. Fuerza inclinada (nivel intermedio)
Una persona empuja una cortadora de césped con una fuerza de 60 N que forma 30° con la horizontal. La cortadora avanza a velocidad constante de 1,5 m/s. ¿Qué potencia desarrolla la persona?
Datos: F = 60 N; θ = 30°; v = 1,5 m/s.
Solución paso a paso
1. Como la fuerza no es paralela al movimiento, incluye el coseno del ángulo.
2. Sustituye cos 30° ≈ 0,866 y calcula.
Resultado: P ≈ 77,9 W.
Interpretación física. Si empujaras exactamente en la dirección del movimiento, la potencia sería de 90 W.
16. Motor con eficiencia (nivel intermedio)
Un motor consume 15 kW y tiene una eficiencia de 80 %. Se usa para subir a velocidad constante una carga de 1200 kg mediante una polea ideal. ¿Con qué velocidad sube la carga?
Datos: Pentrada = 15 kW; η = 0,80; m = 1200 kg.
Solución paso a paso
1. Calcula la potencia útil.
2. Halla la fuerza necesaria (igual al peso de la carga).
3. Despeja la velocidad de P = F·v.
Resultado: v ≈ 1,02 m/s.
17. Aceleración de un auto: potencia media e instantánea (nivel intermedio-avanzado)
Un auto de 1200 kg parte del reposo y alcanza 20 m/s en 8 s con aceleración constante. Ignora las resistencias. Calcula la potencia media y la potencia instantánea al final de los 8 s.
Datos: m = 1200 kg; v₀ = 0; v = 20 m/s; t = 8 s.
Solución paso a paso
1. Calcula el trabajo total, que es igual al cambio de energía cinética.
2. Calcula la potencia media.
3. Halla la aceleración y la fuerza neta.
4. Calcula la potencia instantánea en t = 8 s.
Resultado: Pmedia = 30 kW y Pfinal = 60 kW.
Interpretación física. Con aceleración constante, la potencia crece con el tiempo porque la velocidad aumenta. Al final, la potencia instantánea es el doble de la potencia media.
18. Subir una caja por una rampa con fricción (nivel avanzado)
Un motor arrastra una caja de 80 kg por una rampa de 30° con velocidad constante de 2 m/s. El coeficiente de fricción cinético es 0,20 y la fuerza del motor es paralela a la rampa. ¿Qué potencia desarrolla el motor?
Datos: m = 80 kg; θ = 30°; v = 2 m/s; μ = 0,20.
Solución paso a paso
1. Calcula la componente del peso a lo largo de la rampa.
2. Calcula la fuerza de fricción.
3. A velocidad constante, la fuerza del motor equilibra ambas.
4. Calcula la potencia con P = F·v.
Resultado: P ≈ 1056 W ≈ 1,06 kW.
Interpretación física. Aproximadamente el 26 % de esa potencia se dedica a vencer la fricción, y el resto aumenta la energía potencial de la caja.
19. Velocidad máxima de un vehículo (nivel avanzado)
Enunciado. El motor de un auto entrega 90 kW a las ruedas. La resistencia total al avance puede modelarse como Fr = c·v², con c = 0,45 N·s²/m². ¿Cuál es la velocidad máxima? ¿Y si la potencia se reduce a la mitad?
Datos: P = 90 kW; c = 0,45 N·s²/m².
Solución paso a paso
1. A velocidad máxima, la fuerza de tracción iguala a la resistencia, así que P = Fr·v = c·v³.
2. Despeja la velocidad.
3. Convierte a km/h.
4. Repite con la mitad de la potencia (45 kW).
5. Compara ambas velocidades.
Resultado: v ≈ 58,5 m/s (211 km/h); con la mitad de potencia, v′ ≈ 46,4 m/s (167 km/h).
Interpretación física. Reducir la potencia a la mitad solo baja la velocidad máxima un 21 %, porque P depende del cubo de v.
20. Central hidroeléctrica de bombeo (nivel avanzado)
Una central de almacenamiento por bombeo turbina 25 m³/s de agua que cae 120 m, con una eficiencia de generación de 90 %. Calcula: a) la potencia eléctrica generada; b) la energía entregada en 6 h; c) la potencia que necesita la bomba para subir el mismo caudal si su eficiencia es de 85 %; d) la eficiencia del ciclo completo.
Datos: Q = 25 m³/s; h = 120 m; ηg = 0,90; ηb = 0,85; ρ = 1000 kg/m³.
Solución paso a paso
a) Calcula la potencia eléctrica generada.
b) Calcula la energía en 6 horas.
c) La bomba debe suministrar la potencia del agua dividida entre su eficiencia.
d) La eficiencia del ciclo es el producto de las dos eficiencias.
Resultado: a) ≈ 26,5 MW; b) ≈ 158,8 MWh; c) ≈ 34,6 MW; d) 76,5 %.
Interpretación física. Almacenar energía bombeando agua tiene pérdidas: de cada 100 unidades de energía usadas para bombear, se recuperan unas 76,5 al generar.
Conclusión: lo esencial de la potencia mecánica
Empezaste preguntándote por qué dos personas que hacen el mismo trabajo pueden terminar de forma tan distinta. Ahora sabes que la respuesta es el tiempo: la potencia mecánica mide la rapidez con la que se realiza un trabajo o se transfiere energía.
Ya puedes resolver el escenario de la caja de libros. En los dos días subiste 20 kg hasta 3 m, así que el trabajo fue el mismo: W = m·g·h = 588 J. Pero el lunes la potencia media fue 588 J ÷ 10 s = 58,8 W y el martes, 588 J ÷ 60 s = 9,8 W: la misma tarea exige seis veces más potencia cuando la haces seis veces más rápido. Aprendiste a calcularla con P = W/t, a relacionarla con la fuerza y la velocidad mediante P = F·v, a medirla en watt y a distinguirla del kilowatt-hora, que es energía. Viste también que ninguna máquina real es perfecta y que su eficiencia es menor que 1.
A continuación un mapa mental del resumen de todo el artículo:
| Conexión con el siguiente tema del curso La potencia se apoya en el trabajo y la energía. El siguiente paso natural es la cantidad de movimiento lineal y el impulso: allí analizarás cómo las fuerzas que actúan durante un intervalo de tiempo cambian el movimiento, y estudiarás las colisiones. Verás que el tiempo vuelve a ser protagonista. |
Actividades prácticas de potencia mecánica (10)
PARTE I
Resuelve en tu cuaderno y compara solo con la respuesta final. Usa g = 9,8 m/s².
- Un motor realiza 4500 J de trabajo en 9 s. Calcula su potencia media.
P = 500 W
- Un motor de 750 W funciona durante 2 minutos. ¿Qué trabajo realiza?
W = 90 000 J
- Una persona de 65 kg sube 4,5 m por una escalera en 9 s. Calcula la potencia que desarrolla contra la gravedad.
318,5 W
- Un tren eléctrico ejerce una fuerza de tracción de 1500 N y avanza a 12 m/s. Calcula la potencia.
18 000 W = 18 kW
- Un motor de 3 hp, ¿cuántos watt entrega? (1 hp ≈ 745,7 W)
P ≈ 2237 W ≈ 2,24 kW
- Una lavadora de 500 W se usa 1,5 horas al día durante 30 días. ¿Cuánta energía consume, en kWh?
E = 22,5 kWh
- Un motor consume 8 kW con una eficiencia de 75 %. Se usa para subir a velocidad constante una carga de 700 kg. ¿Con qué velocidad sube?
v ≈ 0,87 m/s
- Una bomba eleva 2000 L de agua (2000 kg) hasta 15 m en 5 minutos. Calcula su potencia útil.
P = 980 W
- Un ciclista mantiene 250 W durante 40 minutos. ¿Qué trabajo mecánico realiza, en joule y en kWh?
W = 600 000 J ≈ 0,167 kWh
- Una turbina eólica tiene aspas de 40 m de longitud (radio del rotor). El viento sopla a 10 m/s, con ρ = 1,2 kg/m³ y un coeficiente de potencia Cp = 0,40. Calcula la potencia eléctrica aproximada. (Pista: el área barrida es A = πr².)
P ≈ 1,21 MW
PARTE II
Actividades individuales
- Diario de potencia. Elige 5 aparatos de tu casa. Anota la potencia que dice la etiqueta (W), estima cuántas horas al día se usan y calcula la energía mensual en kWh. Ordénalos de mayor a menor consumo.
- Mi mapa conceptual. Dibuja, a mano o en digital, un mapa conceptual con al menos 8 términos del glosario y verbos de enlace. Compáralo con el del artículo y anota qué relación te faltó.
- Corrige el error. Explica por qué son falsas y escribe la versión correcta: (a) “Un motor de 5 kWh es más potente que uno de 3 kW”; (b) “Si dos máquinas hacen el mismo trabajo, tienen la misma potencia”; (c) “Una máquina puede tener eficiencia de 110 %”.
Actividades colaborativas (trabajo en equipo)
- Torneo de escaleras. En equipos de 3 o 4, midan la altura de un tramo de escalera (o cuenten los escalones y midan uno de ellos). Cada integrante registra su masa y el tiempo que tarda en subir caminando. Calculen la potencia de cada uno y discutan por qué difieren. Hagan la prueba con calma y sin correr, por seguridad.
- Debate: ¿auto eléctrico o de gasolina? Repartan roles (fabricante, ingeniero, ambientalista, consumidor). Usen la idea de eficiencia y los datos del artículo para argumentar. Cada equipo debe presentar al menos una cifra con su fuente y responder a una objeción.
- Intercambio de problemas. Cada equipo redacta un problema de potencia con su solución completa. Se intercambian los problemas, los resuelven y comparan respuestas. Si no coinciden, buscan juntos dónde está el error.
Actividad de aplicación real: proyecto corto de potencia mecánica
| Proyecto: mi potencia frente a los aparatos de casa Objetivo: medir tu potencia mecánica al subir una escalera y compararla con la potencia de aparatos conocidos. Materiales: cinta métrica o regla, cronómetro (el de tu teléfono), báscula o tu masa aproximada, y calculadora. Procedimiento: (1) Mide la altura vertical h de un tramo de escalera. (2) Cronometra tres veces cuánto tardas en subirlo caminando a paso normal y sin correr. (3) Calcula el trabajo W = m·g·h y la potencia media P = W/t con el promedio de tus tiempos. (4) Compara tu potencia con la de un foco, un ventilador y una plancha. (5) Calcula cuánto tiempo tendrías que mantener tu potencia para producir 1 kWh. Entregable: una infografía o informe de una página con tu tabla de datos, los cálculos ordenados con sus unidades, una gráfica sencilla y dos conclusiones. |
Preguntas frecuentes
1. ¿Qué es la potencia mecánica y en qué se diferencia del trabajo?
Encuesta rápida
Dos motores realizan 1000 J de trabajo: el motor A en 2 s y el motor B en 5 s. ¿Cuál tiene mayor potencia?
a) El motor A.
b) El motor B.
c) Las dos potencias son iguales.
Opción a): el motor A.
El trabajo dice cuánta energía se transfiere. La potencia dice qué tan rápido se transfiere. Aquí ambos hacen el mismo trabajo, pero A lo hace en menos tiempo.
Sus potencias medias son 500 W para A y 200 W para B. Un error muy común es pensar que, si el trabajo es igual, todo es igual. Falta el tiempo.
2. ¿Un motor con más potencia siempre realiza más trabajo?
Encuesta rápida
Un motor de 100 W funciona 1 hora. Otro de 500 W funciona 1 minuto. ¿Cuál realiza más trabajo?
a) El de 500 W, porque tiene más potencia.
b) El de 100 W, porque funcionó más tiempo.
c) Realizan el mismo trabajo.
Opción b): el de 100 W.
El trabajo es potencia por tiempo: W = P·t. El motor de 100 W realiza 100 × 3600 = 360 000 J. El de 500 W realiza 500 × 60 = 30 000 J.
La potencia solo te dice el ritmo. Para saber cuánto trabajo se hizo, necesitas el tiempo.
3. ¿El kilowatt-hora (kWh) es una unidad de potencia?
Encuesta rápida
Tu recibo de luz dice “consumo: 150 kWh”. ¿Qué magnitud física es?
a) Potencia.
b) Energía.
c) Fuerza.
Opción b): energía.
Este es probablemente el error número uno. El kilowatt (kW) mide potencia. El kilowatt-hora (kWh) mide energía: es la potencia de 1 kW mantenida durante 1 hora.
Un truco para recordarlo: kW × h = kWh, o sea, potencia × tiempo = energía. Equivale a 3,6 × 106 J.
4. ¿Cuál es la diferencia entre hp y CV? ¿Por qué mi auto trae dos cifras?
Encuesta rápida
¿Cuál de estas dos potencias es mayor: 100 hp o 100 CV?
a) 100 hp.
b) 100 CV.
c) Son idénticas.
Opción a): 100 hp.
El caballo de fuerza (hp, mecánico) equivale a unos 745,7 W. El caballo de vapor (CV) equivale a unos 735,5 W. La diferencia es pequeña, de alrededor del 1,4 %, pero existe.
Por eso una ficha técnica puede mostrar cifras ligeramente distintas para el mismo motor según la unidad que use. Ambas son formas tradicionales de decir “cuántos watt”.
5. Si subo una escalera más rápido, ¿hago más trabajo?
Encuesta rápida
Subes la misma escalera con la misma carga, una vez despacio y otra corriendo. ¿Qué cambia desde el punto de vista físico?
a) El trabajo contra la gravedad y la potencia.
b) Solo la potencia.
c) Solo el trabajo.
Opción b): solo la potencia.
El trabajo contra la gravedad es m·g·h y depende solo de la masa y de la altura, no del tiempo. Al correr, el trabajo mecánico contra la gravedad es el mismo, pero lo haces en menos tiempo y por eso tu potencia es mayor.
Si además te sientes más cansado al correr, es porque tus músculos, con una eficiencia baja, gastan más energía química por cada joule de trabajo útil y porque también aceleras y frenas tu cuerpo en cada paso; no porque el trabajo contra la gravedad haya aumentado.
6. ¿Por qué duplicar la velocidad de un auto no duplica la potencia que necesita?
Encuesta rápida
Un auto pasa de 50 km/h a 100 km/h en carretera plana. ¿Por cuánto se multiplica la potencia necesaria para vencer el aire?
a) Por 2.
b) Por 4.
c) Por 8.
Opción c): por 8.
La fuerza del aire crece con v² y la potencia es P = F·v, así que la potencia contra el aire crece con v³. Duplicar la velocidad multiplica por 2³ = 8 esa potencia.
Es una de las razones por las que conducir más despacio ahorra tanto combustible o batería.
7. ¿Sostener una pesa sin moverla requiere potencia mecánica?
Encuesta rápida
Sostienes una mochila pesada con el brazo extendido y sin moverla durante un minuto. ¿Cuál es el trabajo mecánico que haces sobre ella?
a) Positivo, porque te cansas.
b) Cero, porque no hay desplazamiento.
c) Negativo, porque la gravedad tira hacia abajo.
Opción b): cero.
En física, el trabajo requiere desplazamiento. Si la mochila no se mueve, el trabajo mecánico sobre ella y la potencia mecánica son cero.
Aun así te cansas, porque tus músculos consumen energía química para mantener la tensión. La sensación de esfuerzo no siempre coincide con el trabajo mecánico.
8. ¿Los 60 W de una bombilla son potencia mecánica?
Encuesta rápida
Un foco dice “60 W”. ¿Qué tipo de potencia es?
a) Mecánica.
b) Eléctrica.
c) Química.
Opción b): eléctrica.
El watt es la unidad de potencia sin importar el tipo de energía. Los 60 W del foco son potencia eléctrica, la rapidez con la que consume energía eléctrica.
Un motor eléctrico transforma esa potencia eléctrica en potencia mecánica con una eficiencia menor que 1. Por eso una máquina que consume 1000 W eléctricos entrega menos de 1000 W mecánicos.
9. ¿Puede una máquina tener una eficiencia mayor a 100 %?
Encuesta rápida
Un fabricante afirma que su motor entrega 120 W de potencia útil consumiendo 100 W. ¿Es posible?
a) Sí, con un buen diseño.
b) No, violaría la conservación de la energía.
c) Sí, si funciona a alta velocidad.
Opción b): no es posible.
La eficiencia es potencia útil ÷ potencia de entrada y no puede superar 1. Una máquina que entregara más de lo que recibe estaría creando energía, algo que no ocurre en la naturaleza.
Ojo con las bombas de calor: su “coeficiente de desempeño” puede ser mayor que 1 porque mueven calor del ambiente en lugar de generarlo. No es una eficiencia en el sentido estricto y no contradice la conservación de la energía.
10. ¿Cuándo uso P = W/t y cuándo P = F·v?
Encuesta rápida
Un auto acelera y su velocidad cambia cada segundo. ¿Qué fórmula te da la potencia en un instante exacto?
a) P = W/t.
b) P = F·v.
c) Ninguna de las dos.
Opción b): P = F·v.
P = W/t te da la potencia media en un intervalo. P = F·v (con F y v paralelas) te da la potencia instantánea, es decir, la potencia en un momento concreto.
Cuando la velocidad cambia, la potencia también cambia. Por eso, en el Problema 7 (el auto que acelera), la potencia al final fue el doble de la potencia media.
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