9 - Colegios Arquidiocesanos
Anuncio
ARQUIDIÓCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS GUÍA-TALLER Año lectivo: ___________ ÁREA: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL: FÍSICA PERIODO: PRIMERO GRADO: NOVENO ¿Por qué no se cae la Torre Pisa? 1 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. COLEGIO: DOCENTE(S): GRADO: 9º ÁREA: Ciencias Naturales Y Educación Ambiental TIEMPO PREVISTO: HORAS: Primer período 39h/ período PRÓPÓSITOS DEL PERÍODO AFECTIVO: Que descubramos la utilidad de: • Plantear y resolver problemas sobre la aplicabilidad tecnológica de la mecánica clásica con respecto al equilibrio de los cuerpos, máquinas simples, momento de una fuerza y el centro de gravedad y masa de un cuerpo, para que obtengamos un pensamiento científico. • Extraer pensamientos y modelar mentefactos conceptuales y proposicionales cromatizados, para que nos aproximemos al pensamiento científico integral. COGNITIVO: Comprehendamos claramente los principios que se aplica en el equilibrio de los cuerpos. EXPRESIVO: Logremos la capacidad de: • Extraer adecuadamente pensamientos, y modelarlos en mentefactos conceptuales y proposicionales cromatizados. • Interpretar, resolver y argumentar situaciones problemas en la aplicabilidad práctica del diario vivir, en lo relacionado con el equilibrio de los cuerpos. Demostrando nuestros avances en el desarrollo del pensamiento científico. EVALUACION INDICADORES DE DESEMPEÑO 1. Desarrollo del pensamiento a través del uso adecuado de cromatizadores de la proposición conceptos y precategorías con sus respectivos mentefactos. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O: inferir, construir macroproposiciones y estructurar textos relacionados con estática, trabajo y energía. 2. Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en flujogramas lineales y de decisión en el planteamiento y solución de problemas relacionados con estática, trabajo y energía. 3. Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con estática, trabajo y energía. 2 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 4. Realizo lectura comprehensiva trabajo y energía. e interpreto textos relacionados con estática, 5. Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre con estática, trabajo y energía. ENSEÑANZAS COMPETENCIAS Desarrollar el pensamiento a través del uso adecuado de la proposición modal con sus respectivas operaciones intelectuales y mentefacto. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O. Seguir instrucciones y utilizar flujogramas en el planteamiento y resolución de problemas aplicando el método científico. Interpretar y analizar datos, tablas y gráficos como resultado de la aplicación del método científico. Comprehender e interpretar textos donde: Explico condiciones de cambio y conservación en diversos sistemas, teniendo en cuenta transferencia y transporte de energía y su interacción con la materia. HABILIDADES Observar Plantear y argumentar hipótesis y regularidades Seguir instrucciones Relievar Inferir Construir macroproposiciones Realizar lectura comprehensiva Interpretar textos argumentales Producir textos argumentales Usar adecuadamente instrumentos de conocimiento; proposiciones, conceptos y precategorías Establecer relaciones Plantear y resolver problemas. EJES TEMATICOS En el entorno físico Estática Equilibrio de los cuerpos. Maquinas simples. Momento de fuerza. Centro de gravedad y masa de un cuerpo. NOTA: Para comprehender exitosamente este periodo, es necesario que tu maestr@ realice actividades prerrequisito en habilidades relacionadas con FUERZAS DE CONSTACTO y CONVERSIONES DE MEDIDA. DIDACTICAS A EMPLEAR DURANTE EL PERÍODO: Didácticas proposicionales. Didácticas conceptuales Didácticas argumentales Experiencias de laboratorios y videos virtuales. 3 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIOCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS PRUEBA DIAGNOSTICA PARA GRADOS NOVENOS Propósito Expresivo: Que yo plantee y resuelva problemas aplicados al pensamiento de la mecánica clásica en las ramas de la cinemática y la dinámica. 1. En un vaso cilíndrico de cristal vacío se coloca una esfera como muestra la figura 1. El diagrama de las fuerzas que actúa sobre la esfera es (N = normal, w = peso) 𝑵𝟏 𝑵𝟐 𝑵𝟏 𝑵𝟐 𝑵𝟏 𝑵𝟑 𝑵𝟏 𝑵𝟐 Fig. 1 W W d. W c. W b. a. A . 2. Dos A bloques están en contacto sobre una superficie sin fricción. Una fuerza F se aplica sobre uno de ellos como muestra la figura La aceleración del sistema vale 𝐹 𝐹 a. 𝑚 −𝑚 b. 𝑚 1 c. 𝐹 𝑚1 2 2 c. 𝐹 𝑚 1 +𝑚 2 3. Se patea un balón que describe una trayectoria parabólica como se aprecia en la figura: La magnitud de la aceleración en el punto A es 𝑎𝐴 y la magnitud de la aceleración en el punto B es 𝑎𝐵 . Es cierto que: a. 𝑎𝐴 < 𝑎𝐵 b. 𝑎𝐴 = 𝑎𝐵 = 0 c. 𝑎𝐴 > 𝑎𝐵 c. 𝑎𝐴 = 𝑎𝐵 ≠ 0 4. De los siguientes vectores, el que corresponde a la aceleración del balón en el punto A, a. b. c. d. Conteste las preguntas 5 y 6 con la siguiente información. En un torneo de flecha y arco, un hombre jala el centro de la cuerda de su arco 20cm (como se muestra en la figura 1) mientras ejerce una fuerza que aumenta de manera uniforme con la distancia desde cero a 26 Newton La gráfica que mejor representa la fuerza ejercida sobre la cuerda en función de la distancia de separación (A O) desde la cuerda sin tensar es: F (nt) F (nt) F (nt) F (nt) 26 a. 4 20 X (cm) 26 26 b. c. 20 X (cm) Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 26 20 X (cm) d. 20 X (cm) 5. Un estudiante de física piensa que es posible sustituir el arco y aplicar la misma fuerza sobre la flecha comprimiendo un resorte una longitud igual como se muestra en la figura 2. La constante elástica de este resorte debería ser a. 13 N/m b. 1300 N/m c. 5200 Nm d. 52 Nm Conteste las preguntas 7 y 8 con la siguiente información. Sobre un bloque de 2kg de masa, colocado sobre una mesa de fricción despreciable, se aplican dos fuerzas F1 y F2 como indica el dibujo 6. La fuerza neta que actúa sobre el bloque es la indicada en 10nt 10nt 30nt c. b. a. 30nt d. 7. El bloque se mueve con una aceleración cuyo valor es a. b. c. d. 5𝑚 2 𝑠 10 𝑚 2 𝑠 15 𝑚 2 𝑠 20 𝑚 2 𝑠 Conteste las preguntas 10 y 11 de acuerdo con la siguiente información La gráfica muestra la posición de un cuerpo que se mueve en línea recta, en función del tiempo. En ella se tiene que x(t) = 2 + t2, en donde las unidades están en el S.I. 8. Es correcto afirmar que el cuerpo a. b. c. d. se mueve con velocidad constante. describe movimiento parabólico se mueve con aceleración constante aumenta linealmente su aceleración 9. El desplazamiento del cuerpo entre t = 3 s y t = 6 s vale a. b. c. d. 3m 27 m 4m 45 m Solución: 5 1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d GUÍA - TALLER Nº 1. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Según el gráfico anexo, figura 1, correspondiente a un cuerpo de masa m en reposo. Hay dos tensiones que están atadas a una horizontal fija, y de una tercera de donde cuelga dicho cuerpo. Observo e interpreto cada pregunta como una experiencia práctica y propongo la respuesta. 1. Si los ángulos Ay B son congruentes, de las tensiones 1 y 2 afirmo que: _________ 2. La tensión 3 es equivalente a: ___________________ 3. Si el ángulo A es mayor que el ángulo B, con respecto a los valores de las tensiones 1 y 2 afirmo que: _____________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los pensamientos del conocimiento aplicado en el planteamiento y solución de problemas de cuerpos en equilibrio. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Desarrollo del pensamiento a través del uso adecuado de cromatizadores de la proposición conceptos y precategorías con sus respectivos mentefactos. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O: inferir, construir macroproposiciones y estructurar textos relacionados con estática, trabajo y energía. El siguiente pensamiento del conocimiento científico sobre la mecánica clásica, lo expreso en un mentefacto proposicional: “Según el pensamiento del conocimiento científico en la mecánica clásica se estudia el equilibrio de los cuerpos en reposo, en una derivada de estudio llamada la estática. Diferenciándose de la cinemática que siendo rama de la mecánica clásica estudia el movimiento de los cuerpos sin tener en cuenta que lo causa. Lo contrario a la dinámica que si estudia las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento. Hay que reconocer que también existe en la mecánica clásica la rama de la mecánica de medios continuos, la que propone un modelo unificado para sólidos deformables, sólidos rígidos y fluidos” 6 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ¿Podría considerarse la estática como un caso especial de la dinámica? ¿En qué caso? ¿Cómo justificaría la respuesta? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Para que un objeto este en equilibrio es necesario que todas las fuerzas que actúan sobre él se compensen exactamente. Cuando, se empleo este criterio, deduzco que un objeto esta en equilibrio, hay estabilidad. La estática tiene como objetivo, establecer si bajo la acción simultánea de varias fuerzas, un cuerpo se halla o no en equilibrio. EL EQUILIBRIO DE UN CUERPO RIGIDO: Si aplico fuerzas a un cuerpo rígido, su equilibrio con respecto a un sistema de referencia inercial estará determinado por: La primera y segunda condición de equilibrio Cuando analizo el reposo, puedo decir que un cuerpo está equilibrado si se encuentra en una de las condiciones: Estable, Inestable e Indiferente El equilibrio Estable es aquel cuerpo que si al separarlo por un instante de su posición de equilibrio tiende a recuperarlo por sí mismo. El equilibrio Inestable es aquel cuerpo que si al separarlo de su posición de equilibrio, pierde su estado de equilibrio. El equilibrio Indiferente es aquel cuerpo que al separarlo de su posición de equilibrio, no lo pierde. Según lo anterior contesto. 7 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Cuál es la clase o condición de equilibrio que observo en cada caso, correspondiente a un soporte que presenta un brazo como eje de suspensión de una regla. Consulto y menciono, al menos, dos ejemplos de equilibrio estable: ______________________________________________________________________ Consulto y menciono, al menos, dos ejemplos de equilibrio Inestable: ______________________________________________________________________ Consulto y menciono, al menos, dos ejemplos de equilibrio Indiferente: ______________________________________________________________________ Cómo trabajo en un escritorio mis actividades académicas sin tener cansancio Al estar sentado en forma tradicional en apoyo isquiotico o postura llamada mecanografa, el peso del tronco reposa unicamente sobre los isquiones, la pelvis está en “EQUILIBRIO INESTABLE”: Esta pòstura causa dolores, conocidos con el nombre vulgar sindrome de las mecanografas o sindrome de los trapecios. En la posición ergonica, FIGURA 2, el apoyo es compartido un 70% por las rodillas disminuyendo en esta proporción la presión ejercida a los esquiones, la curvatura lumbar pasa a ser la fuerza normal, asi como el eje de gravedad se traslada hacia atrás disminuyendo en gran medida la tensión sobre la cintura escapular, y adquiriendo la pelvis “EQUILIBRIO ESTABLE” Según lo anterior consulto un caso donde la posición de equilibrio, mal empleada sea una problemática para el hombre: _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ 8 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PRIMERA CONDICIÓN: EQUILIBRIO DE TRASLACIÓN. Cuando se estudio la primera ley de Newton, llegamos a la conclusión de que si sobre un cuerpo no actúa ninguna fuerza externa, este permanece en reposo o en un movimiento rectilíneo uniforme. Pero sobre un cuerpo pueden actuar varias fuerzas y seguir en reposo o en un movimiento rectilíneo uniforme. Hay que tener en cuenta, que tanto para la situación de reposo, como para la de movimiento rectilíneo uniforme la fuerza neta que actúa sobre un cuerpo es igual a cero. Si las fuerzas que actúan sobre un cuerpo son 𝐹1 , 𝐹2 , 𝐹3 , … 𝐹𝑛 el cuerpo se encuentra en equilibrio de traslación cuando cumple: 𝐹𝑅 = 𝐹1 + 𝐹2 + 𝐹3 + ⋯ + 𝐹𝑛 = 0 Si se utiliza un sistema de coordenadas cartesianas en cuyo origen colocamos el cuerpo y sobre los ejes proyectamos las fuerzas que actúan sobre el cuerpo, tendremos: 𝐹𝑥 = 0 y 𝐹𝑦 = 0 El cuerpo de la figura esta en equilibrio bajo la acción de las tres fuerzas dibujadas. Encuentro el valor de T y del ángulo Sobre el plano cartesiano menciono las fuerzas presentes T 8kg - f T 𝑇𝑦 6kg - f 6kg - f 𝑇𝑥 8kg - f Sobre el plano cartesiano menciono las fuerzas componentes de T 𝑇𝑥 = 𝑇 × 𝑐𝑜𝑠𝜃 6kg - f 𝑇𝑦 = 𝑇 × 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝐹𝑥 = 𝑇𝑥 + −8𝑘𝑔𝑓 = 0 Donde 𝑇𝑥 = 𝑇 × 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 8𝑘𝑔𝑓 Entonces: 𝑇 = 8𝑘𝑔𝑓 𝐹𝑦 = 𝑇𝑦 + −6𝑘𝑔𝑓 = 0 Donde 𝑇𝑦 = 𝑇 × 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 6𝑘𝑔𝑓 Entonces: 𝑇 = 6𝑘𝑔𝑓 Igualo ecuación 1 y 2 8𝑘𝑔𝑓 𝑐𝑜𝑠𝜃 8kg - f = 6𝑘𝑔𝑓 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑠𝑖𝑛𝜃 𝑐𝑜𝑠𝜃 (Ecuación 1) 𝑠𝑖𝑛𝜃 6𝑘𝑔𝑓 (Ecuación 2) 3 queda que: 𝑐𝑜𝑠𝜃 = 8𝑘𝑔𝑓 que a su vez es tan 𝜃 = 4 = 0,75 Para el valor numérico del ángulo 8𝑘𝑔𝑓 sustituyo en ecuación 1 𝑇 = 𝑐𝑜𝑠 37° = 𝜃 se procesa: 𝜃 = tan−1 0,75 = 37° 8𝑘𝑔𝑓 0,8 Por último = 10𝑘𝑔𝑓 Solución: El valor numérico en grados del ángulo 𝜃 = 37° y de la tensión 𝑇 = 10𝑘𝑔𝑓 1. Según el gráfico anexo, determino las tensiones T1 y T2 37º 30º 𝑇2 𝑇1 5nt 9 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 2. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA: ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN Cuando hablamos de máquinas se nos vienen a la cabeza miles de pensamientos a los cuales relacionamos con máquinas de café, máquinas de musculación, máquinas industriales, etc. Pero las máquinas son mucho más complejas y las hay de todo tipo; dentro del mundo de las máquinas encontramos divisiones que se dan a partir de aplicaciones, dentro de estas divisiones tenemos el rubro de las máquinas simples y su conjunto forman las máquinas complejas. Las máquinas se conocen como un conjunto de mecanismos que son capaces de transformar una fuerza aplicada en otra saliente, habiendo modificado previamente la dirección o sentido, la magnitud de la fuerza o una combinación de ellas. Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables. Es decir, realizar un mismo trabajo con una fuerza aplicada menor, obteniéndose una ventaja mecánica. Esta ventaja mecánica comporta tener que aplicar la fuerza a lo largo de un recorrido (lineal o angular) mayor. Además, hay que aumentar la velocidad para mantener la misma potencia. Las primeras máquinas eran sencillos sistemas que facilitaron a hombres y mujeres sus labores, hoy son conocidas como máquinas simples. Según la lectura del texto. Contesto. 1. Qué función cumple la máquina simple en la vida del hombre: _________________ ___________________________________________________________________ 2. La ventaja mecánica, con respecto a la fuerza aplicada en la máquina exige ciertas características. Menciona, al menos, una de ellas: __________________________ ___________________________________________________________________ 3. En el gráfico anexo, se observa un martillo, ejerciendo el trabajo de extraer un clavo. Describe la función de: a. La tabla o superficie: _______________________________________________ b. El clavo: _________________________________________________________ c. La dirección del brazo: ______________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo argumente y realice propuestas a cerca de los diferentes tipos de máquinas simples que utiliza el hombre actual en la tecnología, como ventaja mecánica. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con estática, trabajo y energía. 10 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Cuando la máquina es sencilla y realiza su trabajo en un solo paso me encuentro ante una máquina simple. Muchas de estas máquinas son conocidas desde la prehistoria o la antigüedad y han ido evolucionando incansablemente (en cuanto a forma y materiales) hasta nuestros días. Algunas inventos que cumplen las condiciones anteriores son: cuchillo, pinzas, rampa, cuña, polea simple, rodillo, rueda, manivela, torno, hacha, pata de cabra, balancín, tijeras, alicates, llave fija, etc. Las máquinas simples se pueden clasificar en tres grandes grupos que son: palanca, Rueda y plano inclinado. La palanca y el plano inclinado son las más simples de todas ellas. En general, las maquinas simples son usadas para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo, conveniente y seguro. FASE EXPRESIVA: Modelación y simulación A. La palanca Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro. La fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia. La palanca es una máquina simple que transmite la fuerza que se aplica en un punto a otro punto en el que se obtiene una fuerza mayor. Clases de palancas: Palanca de primer género: En las palancas género el punto de apoyo está entre el peso y aplicación de la fuerza. (La piedra pequeña como apoyo está entre la roca grande y la grupo de personas.) de primer el lugar de que actúa fuerza del Palanca de segundo género: En las palancas de segundo género el peso se encuentra entre el apoyo y el lugar en el que hacemos la fuerza. (El peso que lleva la carretilla está entre la rueda que actúa como apoyo y la fuerza que hace el obrero.) Palanca de tercer género: En las palancas de tercer género la fuerza se aplica entre el punto de apoyo y el peso. (La fuerza la realiza el brazo izquierdo del pescador. Esta fuerza se aplica entre el apoyo del brazo derecho y el peso del pez.) Con lo aprendido, menciono la clase de palanca que se presenta en cada gráfico. _______________ 11 _______________ _______________ Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. _______________ Para cada gráfico señalo su punto de apoyo, su fuerza y su resistencia. B. La rueda Es un operador formado por un cuerpo redondo que gira respecto de un punto fijo denominado eje de giro. De la rueda se derivan multitud de máquinas de las que cabe destacar: rodillo, tren de rodadura, noria, polea simple, polea móvil, polipasto, rodamiento, engranajes, sistema correa-polea... La polea. Me pregunto: ¿Que es una polea? ¿Cómo funcionan las poleas?¿Cuales son los tipos de poleas existentes?¿Es la polea una maquina simple? ¿Por qué? ¿En qué estructuras se pueden emplear poleas para generar movimiento? Realizo mesa redonda en clase y con mi intervención y la de mis compañeros. Concluyo: __________________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Ahora comparo con lo que conceptualiza la guía taller. Es una máquina simple que sirve para transmitir una fuerza. Se trata de una rueda, generalmente maciza y acanalada en su borde, que, con el curso de una cuerda o cable que se hace pasar por el canal ("garganta"), se usa como elemento de transmisión para cambiar la dirección del movimiento en máquinas y mecanismos. Además, formando conjuntos llamados aparejos o polipastos que sirven para reducir la magnitud de la fuerza necesaria para mover un peso. Hay dos tipos de poleas, las fijas y las móviles. El aparejo o polipasto es una combinación de poleas fijas y móviles. Hay tres clases de aparejos, son: El factorial, el potencial y el diferencial. 𝑹 𝟒 𝑭 𝑹 𝒏 𝑫𝒐𝒏𝒅𝒆 "𝒏" Corresponde al número total de poleas. 𝑭= 𝑹 𝑨𝒑𝒂𝒓𝒆𝒋𝒐 𝒇𝒂𝒄𝒕𝒐𝒓𝒊𝒂𝒍 𝑭 𝑭= 𝑹 𝟐 𝑹 𝑭= 𝒏 𝟐 𝑹 𝑫𝒐𝒏𝒅𝒆 "𝒏" Corresponde al número total de poleas móviles. 𝑨𝒑𝒂𝒓𝒆𝒋𝒐 𝒑𝒐𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝒍 𝒘(𝑹 − 𝒓) 𝟐𝑹 𝑭 𝒘 𝑹: 𝑳𝒐𝒏𝒈𝒊𝒕𝒖𝒅 𝒅𝒆 𝒓𝒂𝒅𝒊𝒐 𝒎𝒂𝒚𝒐𝒓 r: Longitud de radio menor 𝑨𝒑𝒂𝒓𝒆𝒋𝒐 𝑫𝒊𝒇𝒆𝒓𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂𝒍 Si en un aparejo potencial de 4 poleas, cuelga una resistencia de 100 N; la fuerza aplicada es:______ Como tiene 4 poleas y corresponde a un aparejo potencial, tres son móviles y una fija. 𝑛=3 𝑅 = 100𝑁, entonces: 𝐹 = 100𝑁 23 = 12,5𝑁 Solución: La fuerza aplicada es de 12,5 N. 12 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. El torno o rodillo Ha sido y sigue siendo una máquina fundamental para las labores del hombre. Presenta un cilindro que gira por la acción de una fuerza aplicada a un brazo o manivela de mayor radio que el del cilindro. R r 𝑭 𝒘 𝑭= 𝒘×𝒓 𝑹 C. El plano inclinado Es un operador formado por una superficie plana que forma un ángulo oblicuo con la horizontal. Las rampas que forman montañas y colinas son planos inclinados, por tanto este operador también se encuentra presente en la naturaleza. De este operador derivan máquinas de gran utilidad práctica como: cuña, hacha, sierra, cuchillo, rampa, escalera, tornillo-tuerca, tirafondos... 𝑣𝑒𝑛𝑡𝑎𝑗𝑎 𝑚𝑒𝑐á𝑛𝑖𝑐𝑎 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑣𝑒𝑛𝑐𝑖𝑑𝑎 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 VENTAJA MECÁNICA Es la razón entre la magnitud de la resistencia vencida con respecto a la fuerza aplicada en una máquina. Cuando no se tiene en cuenta la fricción y el peso que experimenta las diferentes partes de la máquina, a la ventaja mecánica se le llama teórica (𝑣. 𝑚. 𝑡. ); lo contrario es ventaja mecánica práctica (𝑣. 𝑚. 𝑝. ). El rendimiento o eficiencia de una máquina es la razón existente entre la ventaja mecánica práctica con la teórica. Como esta razón es menor que la unidad se menciona en porcentaje. Entonces: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 ó 𝑒𝑓𝑖𝑐𝑖𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 = (𝑣.𝑚 .𝑝.) (𝑣.𝑚 .𝑡.) × 100% Un individuo en una máquina aplica una fuerza de 30N y vence una resistencia de 120N. La ventaja mecánica teórica de la máquina es:_____ 120𝑁 𝑣. 𝑚. = =4 30𝑁 Solución: la ventaja mecánica teórica es de 4 Si en la máquina anterior, hay una eficiencia del 40%, significa que la ventaja mecánica práctica ha sido de: ______ 40% = 𝑣.𝑚 .𝑝. ×100% 4 Despejo (𝑣. 𝑚. 𝑝. ) tengo: 𝑣. 𝑚. 𝑝. = 4×40% 100% = 1,6 Solución: la (𝑣. 𝑚. 𝑝. ) es de 1,6 1. Con una fuerza de 20N aplicada en un polipasto factorial de 8 poleas, la resistencia máxima a vencer es de: ___________________ 2. La fuerza que se debe aplicar a un aparejo potencial de 10 poleas para vencer una resistencia de 2048N, es: __________________ 3. En un polipasto diferencial, constituido por dos poleas de 40cms y 20cms. Donde se aplica una fuerza de 8N. Se afirma que la resistencia máxima a vencer es: ___ 4. Del polipasto factorial, numeral 1, si la ventaja mecánica práctica es de 1,2 se afirma que su eficiencia es: ___________ 13 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Completo el siguiente mentefacto conceptual teniendo en cuenta el texto de “MÁQUINAS SIMPLES” Completo la siguiente proposición extraída de las infraordinadas del concepto anterior. 14 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Semana número ___ del ___ al ___ de___________________ de 20___ (3 horas / semana) FASE AFECTIVA: ACTIVIDAD DE MOTIVACIÓN. PALANCAS La palanca es un cuerpo rígido, en forma de barra, que gira alrededor de un punto fijo llamado apoyo, tal que al aplicarle una fuerza externa o fuerza motora es capaz de vencer o equilibrar una fuerza resistente. La fuerza motora o externa, la simbolizamos con M, mientras que la fuerza resistente con R. Las palancas se han agrupados en tres clases, llamados géneros, de acurdo con las posiciones que ocupan, las fuerzas (motoras y resistentes) y el punto de apoyo. Las palancas de primer género, son aquellas en la que el punto de apoyo “0” está entre las fuerzas R y M. Las de segundo género, tienen el punto de apoyo ubicado en un extremo y la fuerza resistente R está entre el apoyo y la motora M, por último las palancas de tercer género, el punto de apoyo se sitúa en un extremo y la fuerza motora, se encuentra entre el apoyo y la fuerza resistente. La ventaja mecánica que se presenta en los géneros de las palancas, se simboliza por VM, y expresa un cociente entre la carga o resistencia R, y la fuerza aplicada M, cuando la palanca se encuentra en equilibrio. PROPUESTA Interpreto, gráficos. Indico, y argumento el tipo de género de palanca, para los siguientes 1.) __________________ 2.) _________________ 3.) __________________ ► Expreso símbolo, y la relación existente de la ventaja mecánica de las palancas, sabiendo que es el cociente entre la carga o resistencia R y la fuerza aplicada M, cuando la palanca se encuentra en equilibrio. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 15 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e interprete los procesos aplicados en el método científico sobre el coeficiente de rozamiento estático. INDICADOR DE DESEMPEÑO Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con movimiento pendular y ondulatorio. Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en flujogramas lineales y de decisión en el planteamiento y solución de problemas relacionados con el movimiento pendular y ondulatorio. COEFICIENTE DE ROZAMIENTO ESTÁTICO MATERIALES 1.) Una tabla delgada, de madera, de aproximadamente 10cm x 40cm. 2.) Un bloque de madera de 5cm x 5cm x 5cm. 3.) Un transportador. 4.) Un vidrio, de la misma dimensión de la tabla de madera. 5.) Una lámina de corcho, de la misma dimensión de la tabla. 6.) Otros materiales, si puedes conseguir para usar como superficies. PROCEDIMIENTO Y ANÁLISIS 1. Coloca el bloque de madera sobre la tabla y levanta lentamente el conjunto, justo hasta el instante en el cual el bloque de 5cm x 5cm x 5cm empieza a deslizarse. Mida con el transportador, si es posible el ángulo para el cual se da este evento. 2. Ahora cubre la tabla con la lámina de corcho y determina de nuevo para qué ángulo resbala el bloque de madera. 3. Realiza nuevamente la experiencia con otras superficies, y toma la información correspondiente. 4. Completa la siguiente tabla de datos, y resultados: (Si utilizaste otras superficies inclúyelas). 16 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Madera-madera Madera-corcho Madera-vidrio Valor del ángulo “θ”. Valor del coeficiente “μ”. 5. Escribo mis conclusiones. _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ MODELACIÓN Observo adecuadamente el pozo dado a continuación, la carga o resistencia R, es el balde con agua, la fuerza motora M, la aplica una persona, y el punto de apoyo se ilustra allí gráficamente. PROPUESTA: Hallar la ventaja mecánica VM, y expresar algunas conclusiones. SOLUCIÓN No olvide que cuando el sistema se encuentra en equilibrio, se expresa que el producto R.l1, es igual al producto Rl2, es decir que Rl1 = Rl2, luego la ventaja mecánica 𝑅 𝑙2 VM = 𝑀 = 𝑙1. CONCLUSIONES: 1.) Como el sistema se diseña de manera que l2> l1, esto implica que la VM, en este caso especial es mayor que la unidad. 2.) Si l2 = l1, nos expresa que la VM, es exactamente igual a la unidad. 17 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. COMPETENCIA COMUNICATIVA 1. Dispongo de dos bloques de madera m1 y m2, como lo indica el gráfico. Entre la superficie y el bloque m1 no hay rozamiento, pero entre los dos bloques si. Aplica una fuerza F, sobre el bloque inferior m 1 de modo que los bloques se muevan. PREGUNTA: ¿Cómo puedes determinar la fuerza de fricción entre los bloque? Analiza el resultado con tus compañeros o compañeras, y el docente a cargo, con base en las leyes de Newton. _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 2. Si cambias ahora la posición de los bloques, como lo muestra el siguiente gráfico. Expreso mis conclusiones. ¿Cambian tus conclusiones respecto al planteamiento anterior si o no, por qué? _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 18 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 3. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Equilibrio rotacional: Una cuestión de balance Me pregunto, ¿por qué los móviles presentan equilibrio siendo pesos diferentes que se colocan en extremos opuestos? Realizo un móvil como el del gráfico y contesto las preguntas que surgen. Para la construcción del móvil, tomo los horizontales de varilla livianas como alambre dulce de ¼ x ¼ de pulgada, corto tres pedazos de 31 cms de largo. Para mayor comodidad, le marco el centro de cada alambre y desplazándome hacia cada extremo, marco cada centímetro y medio, por toda la extensión de la varilla. El espaciado entre los pesos en todos los casos será de 30 centímetros. Los pesos los hago con recorte de cartulina o cartón y pego en cada recorte de cartulina, monedas de la misma referencia, y así garantizar que tengan pesos uniformes. Uso cuerda ligera o hilo para suspender los recortes de los miembros horizontales. Obtengo un móvil en equilibrio estático. Al observar el móvil propongo las respuestas a las preguntas: 1. Quiénes actúan para que el sistema físico permanezca en equilibrio: ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 2. Qué pasa si golpeo una de la barras con mis dedos. Por qué imagino lo que ocurre: __________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3. Qué puede ocurrir si hay un sexto objeto que cuelga en una de las horizontales. Justifico mi comentario: _______________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos aplicados en la tecnología de la magnitud del efecto de rotación generado por fuerzas, sobre cuerpos o sistemas físicos. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre la estática, trabajo y energía. 19 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. TORQUE 𝝉𝟎 Ó MOMENTO ESTATICO 𝑴𝟎 DE MAGNITUD DE FUERZA: Es una magnitud vectorial. Cuando las fuerzas actúan sobre los cuerpos, pueden alterar su movimiento lineal o su rotación. El efecto de una fuerza dado sobre el movimiento de rotación de un cuerpo, depende del valor de la fuerza, de la distancia de su punto de aplicación al eje de giro o punto de giro, y de la dirección de la fuerza con respecto a la línea que une el punto de aplicación de esta con el eje o punto de giro; que debe ser paralelas dichas direcciones. Generalmente se considera un torque o momento estático positivo cuando tiende a producir rotación en sentido contrario a las manecillas del reloj y negativo en sentido de las manecillas del reloj. Las unidades del momento estático o torque según el S.I se toman así. Como el torque o momento estático es el producto de una fuerza por una distancia, su unidad de medida será: 𝝉𝟎 = 𝐹 × 𝑏 donde 𝐹║𝑏 se mide en 𝜏0 = 1𝑛𝑡 × 1𝑚 = 1𝑛𝑡. 𝑚 En el sistema de medida C.G.S: El torque esta dado por: 𝜏0 = 1𝑑𝑖𝑛𝑎 × 1𝑐𝑚 = 1𝑑𝑖𝑛𝑎. 𝑐𝑚 Con el mentefacto conceptual acerca de “Magnitud del efecto de rotación” realizo el texto conceptual en mi cuaderno de física. 20 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Nos preguntamos: ¿Cuál es el momento estático generado por una fuerza de 20𝑁 aplicada perpendicularmente sobre una barra a 30𝑐𝑚 de un punto de apoyo? 𝑀0 = 20𝑁 × 0,3𝑚 = 6𝑁. 𝑚 Una puerta de 50 𝑐𝑚𝑠 de ancho se aplica una fuerza de 10𝑁 perpendicular al plano de la puerta y a una distancia de: 10𝑐𝑚𝑠, 30𝑐𝑚 𝑦 50𝑐𝑚. Si el efecto de rotación es en sentido antihorario, sus torques son: Para el brazo de 10𝑐𝑚𝑠 𝜏0 = 10𝑁 × 0,1𝑚 = 1𝑁. 𝑚 Para el brazo de 30𝑐𝑚𝑠: ____________________ Para el brazo de 50𝑐𝑚𝑠: ____________________ Si el efecto de rotación es en sentido horario cuando se tiene un brazo de 20𝑐𝑚𝑠, su torque es: Para el brazo de 20𝑐𝑚𝑠: ____________________ FASE EXPRESIVA: Actividad: modelación simulación y ejercitación En el cuadro anexo cada división es de 20𝑐𝑚; cuál es el momento estático para cada punto, independiente de los demás puntos que aparecen en el gráfico, si las magnitudes de las fuerzas presentes son: 𝐹1 = 20N 𝐹4 = 10N 𝐹2 = 25N 𝐹3 = 30N 𝐹5 = 15N 𝐹6 = 20N 𝐹2 A C 𝐹3 D 𝐹1 𝐹4 𝐹7 𝐹7 = 35N 𝐹6 B 𝐹5 Para el punto A: 𝑀0 = −20𝑁 × 0,6𝑚 + 25𝑁 × 0,2𝑚 + −30𝑁 × 1,4𝑚 + 10𝑁 × 0.4𝑚 + − 15𝑁 × 1𝑚 + −20𝑁 × 0𝑚 + 35𝑁 × 1,2𝑚 = −18𝑁. 𝑚 Ahora simulo el proceso para los demás puntos. Para el punto B: _______________________ Para el punto C: ________________ Para el punto D: _______________________ Para el punto E: ________________ SEGUNDA CONDICION: EQUILIBRIO DE ROTACIÓN. Si a un cuerpo que puede girar alrededor de un eje, se le aplican varias fuerzas y no producen variación en su movimiento de rotación, se dice que el cuerpo puede estar en reposo o tener movimiento uniforme de rotación. También se puede decir que un cuerpo se encuentra en equilibrio de rotación si la suma algebraica de los momentos estáticos o torques de las fuerzas aplicadas al cuerpo, respecto a un punto cualquiera debe ser igual a cero. Esto es 𝝉𝟎 = 0 Modelación de la primera condición de equilibrio. 21 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. E 2. Según el gráfico anexo, determino las tensiones T1 y T2 Y 𝑇2 𝑇2𝑦 60º 𝑇1𝑦 𝑇1 45º Sus componentes en el plano: 60º 𝑇2 𝑇1 10N 𝑇1𝑥 10N 45º 𝑇2𝑥 10N El valor de las componentes que representan las tensiones en cada eje del plano es: 𝑇1𝑥 = 𝑇1 × cos 45° = 0.7𝑇1 𝑇1𝑌 = 𝑇1 × sin 45° = 0,7𝑇1 (Primera ecuación) 𝑇2𝑥 = 𝑇2 × cos 60° = 0.5𝑇2 𝑇2𝑦 = 𝑇2 × sin 60° = 0.86𝑇2 (Segunda ecuación) La sumatoria de fuerza en cada eje es: 𝐹𝑦 = 𝑇1𝑦 + 𝑇2𝑦 + −10𝑛𝑡 = 0 Entonces 0,7𝑇1 + 0.86𝑇2 = 10𝑁 (Tercera ecuación) 𝐹𝑥 = −𝑇1𝑥 + 𝑇2𝑥 = 0 Entonces 0.5𝑇2 = 0.7𝑇1 (cuarta ecuación) Por el método de reducción (Suma y resta), los valores de 𝑇1 = 5,25𝑁 𝑇2 = 7,35𝑁 3. Una viga de 10 𝑘𝑔 de masa y 2 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 de longitud, se encuentra suspendida de dos cuerdas atadas en sus extremos, según la figura anexa. Además a 0,5 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 de una de ellas, la viga sostiene un cuerpo de 2𝑘𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑎. Las tensiones de las cuerdas son: 𝑇1 𝑇2 0,5m Aplico Primera condición de equilibrio: Entonces 𝐹𝑦 = 𝑇1 + 𝑇2 + −100𝑁 + −20𝑁 = 0 Donde 𝑇1 + 𝑇2 = 120𝑁 (Ecuación 1) 100N 20N 2m Aplico la segunda condición de equilibrio: Entonces 𝝉0 = 𝑇1 × 0 + −𝑇2 × 2𝑚 + 100𝑁 × 1𝑚 + 20𝑁 × 0,5𝑚 = 0 (Ecuación 2) Donde 𝑇2 = 110𝑁×𝑚 2𝑚 = 55𝑁 sustituyo 𝑇2 = 55𝑁 en ecuación 1 por tanto 𝑇1 = 65𝑁 Solución: las tensiones son de 55N y 65N 1. La barra homogénea de la figura Nº 1 pesa 200N y tiene 1m de longitud. A 0,7m del pivote está suspendido un cuerpo que pesa 10N. ¿Cuál debe ser la magnitud de la fuerza F aplicada en el extremo de la barra, para que ésta se mantenga horizontal y en equilibrio? Fig. 2 Fig. 1 d3 F 10N d2 d1 200N 60N 20N 40N 2. ¿Cuál es el valor de la distancia d 3 , para el sistema de la figura Nº 2 se encuentre horizontal y en equilibrio, si d 2 =10cm y d 1 =5cm? 22 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 4. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Equilibrio rotacional: Una cuestión de balance Me pregunto, ¿Qué tiene que ver las diferentes masas colocadas en el móvil en extremos opuestos, para que el sistema este en equilibrio? Con el móvil diseñado en la guía número 3 contesto las preguntas que surgen. 4. Qué condición física de los cuerpos hace que, el móvil permanezca en equilibrio: ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ 5. Cuál de los verticales del móvil se considera el vertical que concentra los pesos y mantiene en equilibrio el sistema: ________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 6. Qué puede ocurrir si hay un sexto objeto que cuelga en una de las horizontales: Justifico mi comentario: _______________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete para luego argumentar y proponer ejercicios sobre el equilibrio de los cuerpos. 23 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con estática, trabajo y energía. La gravedad es generada por una fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre todo cuerpo que se encuentre en la superficie de ella. Cuando los cuerpos atraídos no se mueven, por estar suspendidos o apoyados, la gravedad se manifiesta entonces, por la tensión que los cuerpos ejercen. La dirección de la fuerza de gravedad es de arriba hacia abajo, en el sentido en que caen los cuerpos, su magnitud no es sino el valor del peso de los cuerpos; pero su punto de aplicación es lo que precisamente se denomina centro de gravedad, baricentro o Centroide y es lo que quiero aprender a determinarlo. Si considero la atracción que ejerce la tierra sobre cada molécula de un cuerpo, es natural pensar que todas son paralelas y que la fuerza resultante de ellas seria esa fuerza de gravedad con su punto de aplicación correspondiente a su centro de gravedad. En este caso como el cuerpo es simétrico su punto de centro de gravedad es el centro simétrico de él. 𝐹1 𝐹2 𝐹3 𝐹4 𝐹5 𝐹6 𝐹7 𝐹8 𝐹𝑅 = 𝐹1 + 𝐹2 +𝐹3 +𝐹4 + 𝐹5 +𝐹6 +𝐹7 + 𝐹8 ¿Cómo puedo determinar la magnitud de la fuerza de gravedad de un cuerpo? ______________________________________________________________________ 𝐹3 ______________________________________________________________________ Cuando el cuerpo se pone en movimiento, cambia 𝐹3 la posición de las moléculas respecto a la tierra, pero cualquiera que sea la nueva posición, la resultante de todos los pesos se mantiene constante tanto en magnitud y en la posición del centro de gravedad, pues 𝐹3 es inalterable. Siendo el peso de un cuerpo una fuerza hacia abajo aplicada en su centro de gravedad, puedo afirmar que si se aplica una fuerza de la misma dirección y magnitud pero sentido contrario, el cuerpo tiende a permanecer en equilibrio. Entonces el centro de gravedad es el punto por el cual se debe suspender un cuerpo, para que en cualquier posición se mantenga en equilibrio. Si deseo encontrar el centro de gravedad de un cuerpo, lo puedo lograr: por lo práctico o por lo analítico. Por lo práctico, tomo un cuerpo y lo cuelgo hasta que este quede en reposo. Trazo la proyección de la dirección de la vertical que lo sujeta. Luego lo bajo y lo cuelgo nuevamente de otro punto del cuerpo. Cuando esté en reposo trazo la proyección de la dirección de la vertical de donde cuelga. El punto de intersección de las dos proyecciones es el punto o centro de gravedad del cuerpo. 24 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. El método analítico de encontrar el centro de gravedad de los cuerpos homogéneos de distintas formas y tamaño tiene un fundamento apoyado en la simetría de los cuerpos homogéneos. Entonces todo cuerpo que tenga un plano o eje de simetría tendrá como centro de gravedad ese plano o eje de simetría. Pero todo cuerpo que tenga centro de figura, sobre él está el centro de gravedad. Contesto: 1. Cuál es el centro de gravedad de una regla: _______________________________ 2. Cuál es el centro de gravedad de un cuadrado, de un rectángulo de un rombo: ___________________________________________________________________ 3. Cuál es el centro de gravedad de una circunferencia:_________________________ Rectas y puntos notables en un triángulo En los triángulos hay una serie de rectas y puntos importantes. Las rectas son la mediana, la mediatriz, la altura y la bisectriz. Los puntos donde se cortan son el baricentro, el circuncentro, el ortocentro y el incentro, respectivamente. En la intersección de las medianas, se tiene su centro de gravedad; este punto es llamado baricentro Con la ayuda de mi profesor dibujo un triángulo en una cartulina de 15𝑐𝑚𝑠 × 15𝑐𝑚𝑠; luego lo recorto y determino su centro de gravedad según lo anterior. Por último realizo la experiencia de equilibrio representada en el gráfico CENTRO DE MASAS El centro de masas (c.m.) de un sistema discreto o continuo es el punto geométrico que dinámicamente se comporta como si en él estuviera aplicada la resultante de las fuerzas externas al sistema. De manera análoga, se puede decir que el sistema formado por toda la masa concentrada en el centro de masas es un sistema equivalente al original. En un tratamiento de sistemas de masas puntuales el centro de masas es el punto donde, a efectos inerciales, se supone concentrada toda la masa del sistema. El concepto se utiliza para análisis físicos en los que no es indispensable considerar la distribución de masa. Por ejemplo, en las órbitas de los planetas. En la Física, el centro de gravedad y el centro de masas pueden, bajo ciertas circunstancias, coincidir entre sí. En estos casos se suele utilizar los términos de manera intercambiable, aunque designan conceptos diferentes. El centro de gravedad es un concepto puramente geométrico que depende de la forma del sistema; el centro de masas depende de la distribución de materia, mientras que el centro de gravedad depende también del campo gravitatorio. Así tendremos que: El centro de masas coincide con el centro de gravedad cuando la densidad es uniforme o cuando la distribución de materia en el sistema tiene ciertas propiedades, tales como simetría. 25 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. El centro de masas coincide con el centro de gravedad, cuando el sistema se encuentra en un campo gravitatorio uniforme (el módulo y la dirección de la fuerza de gravedad son constantes). ¿Por qué no se cae la Torre Pisa? La torre inclinada de Pisa está en equilibrio estable, porque ha sido construida con materiales muy pesados hasta la ¼ parte y luego más y más livianos yendo hacia arriba. De esta manera se ha bajado considerablemente el centro de gravedad de la torre, y la vertical que arranca de dicho centro cae todavía muy dentro de la base de sustentación delimitada por los cimientos. ¿Por qué el sistema físico conformado por el lápiz y el corta plumas no se caen? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ _____________________________________________________ ¿Por qué para cerrar o abrir una puerta corrediza, cuyos carriles se encuentran en la parte superior, que esté algo ajustada debe tirarse de la parte superior de la misma y no de la manivela?_________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ ¿Por qué al levantarnos de una silla inclinamos el cuerpo hacia adelante? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Después de haber estudiado y analizado diferentes ejemplos reales de equilibrio, puedo llegar a la conclusión de que en todo cuerpo y en todo momento y a cada momento están interactuando diferentes tipos de fuerza, las cuales ayudan a los cuerpos a realizar determinados movimientos o, a mantenerse en estado de equilibrio, ya sea estático o dinámico. Con base en el conocimiento del uso de las dos condiciones de equilibrio, contesto. 3. Una barra rígida homogénea de 3𝑘𝑔 − 𝑓 y 30𝑐𝑚 de largo, está sometida por dos cables de sus extremos. Si se coloca un peso de 2𝑘𝑔 − 𝑓 sobre la varilla a 10𝑐𝑚 del extremo izquierdo, ¿Qué tensión ejercen los cables? __________________________________________________________________________ 4. Un bloque de 5𝑘𝑔 − 𝑓 se coloca en la mitad de una varilla rígida de 0,3𝑚, pivoteada en uno de sus extremos y sostenida en el otro por una cuerda. La masa de la varilla es de 2kg-f. Calcula la tensión de la cuerda. ____________________________________________________________________ 26 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA LABORATORIO Nº 5. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo interprete, argumente y proponga sobre los datos obtenidos de una experiencia dentro de un laboratorio, acerca de equilibrio de los cuerpos, máquinas simples y momento de fuerza. Motivación: El uso de máquinas simples en muchas de las actividades que se desarrollan a diario es un hecho tan común que su aplicación y utilización en el funcionamiento de determinados dispositivos no nos causa mayor sorpresa. Sin embargo, basta con pensar en la diversidad de aplicaciones que presenta el funcionamiento de nuestro propio organismo para descubrir lo importante que es conocer tales principios y ampliar el rol que cumple la física en este y otros campos de la ciencia y la tecnología. El estudio del movimiento del cuerpo rígido, es sin duda, de mucho más complejidad que el de una partícula. Puede abordarse el estudio de un rígido como un caso especial e importante de sistemas formados por muchas partículas, en el cual las distancias relativas entre ellas permanece constante. Materiales: Palo de escoba (También algo similar a una vara homogéneas de 150cms aproximadamente) Cinta (puede ser de enmascarar) Dinamómetro. Pedazo de piola de 100cms aproximadamente. Calculadora. Me pregunto: ¿El efecto de una fuerza en un sistema físico no es solo de movimiento de traslación, puede producir rotación?. ¿La rotación de un sistema físico, sólo depende del efecto de la fuerza? Hipótesis: “El efecto de una fuerza en un sistema físico no es solo de movimiento de traslación, puede producir rotación y no solo depende da la fuerza”. Experimento: Tomo un palo de escoba colocando como soporte, un dedo de cada mano, en una posición para que la regla o escoba descanse en ellos. Deslizo los dedos hasta toparse, sin perder el equilibrio del palo en un solo dedo. Determino ese punto y lo marco, ya sea con una cinta de enmascarar ¿Qué se puede manifestar del punto de encuentro de los dedos, según lo visto en la guía taller? Respondo claramente en mi cuaderno de física 27 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Ahora coloco el dedo de la mano derecha cierta distancia y lo mismo lo hago con el de la izquierda, pero con una distancia mayor ¿En cuál de los dedos hay mayor aplicación de fuerza normal? Respondo claramente en mi cuaderno de física Voy a desplazar los dedos hasta el centro de gravedad, pero evitando que el palo se caiga Cuál de los dedos se desplaza primero? Respondo claramente en mi cuaderno de física En el dedo que no se mueve existe una fuerza llamada fuerza de roce estático. ¿Qué nombre recibe la fuerza que se da en el dedo que se mueve? Respondo claramente en mi cuaderno de física Marco con cinta, los puntos de la posición de los dedos, en el instante que el dedo que no se mueve inicia su movimiento para que el palo de escoba no se caiga. Datos de registro: Distancia que hay de la marca del dedo de la mano derecha, hasta el punto centro de gravedad: _____cms Distancia que hay de la marca del dedo de la mano izquierda, hasta el punto centro de gravedad: _____cms Con una piola hago un anillo de mayor diámetro que el del palo de escoba. Coloco el anillo de piola en el punto tomado como centro de gravedad del palo de escoba y de allí lo hago colgar del dinamómetro. Datos de registro: Medida que registra el dinamómetro: ___________N Ahora amarro el palo de escaba y lo cuelgo en una de las marcas de los puntos donde en el instante que el dedo que no se mueve inicia su movimiento para que el palo de escoba no se caiga. En la otra marca coloco el anillo de piola y el dinamómetro, colgando el sistema hasta que quede en equilibrio; registro la medida del dinamómetro. 28 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Datos de registro: Medida que registra el dinamómetro en la marca izquierda: ___________N Cambio la posición del amarre con la del anillo de piola y registro la medida del dinamómetro. Datos de registro: Medida que registra el dinamómetro en la marca derecha: ___________N Recopilación y análisis matemático de los datos. La condición de equilibrio de un sistema físico esta dado por la expresión matemática 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 = 𝑚𝑜𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎, es decir, para la experiencia anterior diría: 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟏 × 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟏 = 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟐 × 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟐 Distancia de la marca del dedo de la mano derecha hasta el punto centro de gravedad (𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟏 ) Distancia de la marca del dedo de la mano izquierda hasta el punto centro de gravedad (𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟐 ) Medida que registra el dinamómetro cuando el sistema cuelga del dedo derecho 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟏 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟏 × 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟏 Medida que registra el dinamómetro cuando el sistema cuelga del dedo izquierdo 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟐 Medida que registra el dinamómetro cuando cuelga el palo de escoba en el punto de su centro de gravedad 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟐 × 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟐 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎1 + 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎2 Interpreto y argumento: Cuando deslice los dedos en contacto con la regla o escoba sin coordinación, qué puedo manifestar acerca de la experiencia: _____________________________________________ __________________________________________________________________________ Qué puedo afirmar con respecto a los datos de momento de fuerza y momento de resistencia según las distancias que los dedos recorrieron cuando deslizan en contacto con la regla o escoba: __________________________________________________________________ __________________________________________________________________________ Comparo el producto 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟏 × 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟏 con el producto 𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒅𝒆 𝒓𝒐𝒄𝒆 𝒆𝒔𝒕𝒂𝒕𝒊𝒄𝒂𝟐 × 𝒅𝒊𝒔𝒕𝒂𝒏𝒄𝒊𝒂𝟐 y concluyo según los datos: _________________ __________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 29 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Comparo el registro del dinamómetro cuando cuelga el palo de escoba en el punto de su centro de gravedad y la sumatoria de 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎1 + 𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑑𝑒 𝑟𝑜𝑐𝑒 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑡𝑖𝑐𝑎2 y concluyo según los datos: _______________________________________________ ______________________________________________________________________ Según la práctica, contesto las preguntas anteriores. ¿El efecto de una fuerza en un sistema físico no es solo de movimiento de traslación, puede producir rotación?_____________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ¿La rotación de un sistema físico, sólo depende del efecto de la fuerza? __________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ La distancia, en metros, que se debe sentar Hernán para que el sistema quede en equilibrio con el Alberto es: _____________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 30 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIOCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS PRUEBA PRE- EVALUACIÓN ICFES GRADO NOVENO DE EVENTOS FISICOS Propósito Expresivo: Que yo aplique los procesos vistos en clase de la interpretación y argumentación de movimientos: equilibrio de los cuerpos, máquinas simples, momento de fuerza, centro de gravedad y masa del cuerpo. RESPONDA LAS PREGUNTAS 1 A 3 DE ACUERDO CON LA SIGUIENTE INFORMACIÓN Un lazo de longitud L y masa por unidad de longitud igual a µ se tensiona mediante bloques de masa m cada uno, como se muestra en las siguientes figuras. La masa del lazo es mucho menor que la masa de un bloque. 1. Las situaciones en las cuales el lazo está sujeto a iguales tensiones son a. solamente 1 y 2 c. solamente 1, 2 y 4 b. solamente 2 y 4 d. 1, 2, 3, 4 2. La situación en la cual el lazo hace parte de un polipasto es: a. Solamente 3 y4 c. Solamente la 2 b. Solamente 3 d. Solamente 1 y 2 3. De acuerdo a la información(3), para que el sistema físico se encuentre en equilibrio, se afirma que: a. Los pesos de los bloque son diferente b. Los pesos de los bloques que cuelgan de la polea móvil, son menores que el que cuelgas de la pea fija. c. La tensión en la cuerda es la misma. d. Los bloque presentan el mismo peso RESPONDA LAS PREGUNTAS 4 y 5 DE ACUERDO CON LA SIGUIENTE INFORMACIÓN 4. Un bloque de hierro pende de dos cuerdas iguales atadas a postes como muestra la figura. Las tensiones en las cuerdas son iguales. Respecto a la situación anterior, el valor del peso del bloque es a. 2𝑇 × sin 𝛩 c. 2𝑇 b. 𝑇 × sin 𝛩. d. 2𝑇 × cos 𝛩 5. De las tensiones horizontales que se presenta en el sistema física se puede afirmar, menos: a. b. c. d. Sus magnitudes son diferentes. Son las componentes de las tensiones. La sumatoria de las componentes es cero. Hacen parte del equilibrio del sistema. 31 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 6. De dos dinamómetros iguales cuelga un cuerpo de masa 10 kg, como se muestra en la figura. La lectura de cada dinamómetro es a. 50 N c. 5 N b. 10 N d. 100 N 7. Si el cuerpo cuelga de un solo dinamómetro, este marca: a. 50 N c. 5 N b. 10 N d. 100 N RESPONDA LAS PREGUNTAS 8 Y 9 DE ACUERDO CON LA SIGUIENTE SITUACIÓN Una esfera atada al extremo de una cuerda se mueve describiendo una trayectoria circular, tal como se ilustra en la figura. 8. Para la situación anterior, el diagrama de cuerpo libre sobre la esfera es T A. T Fc Fc T T D. C. B. Fc W W Fc W Donde: T = Tensión W = Peso W y Fc = Fuerza centrípeta 9. Si un observador se ubica en cualquier punto a lo largo del eje Z, es correcto afirmar que a. el torque neto es perpendicular al plano de la trayectoria b. el momento angular neto es perpendicular al plano de la trayectoria c. la componente perpendicular al plano de la trayectoria, del momento angular, es constante d. la tensión de la cuerda no aplica torque 10. Uno de los objeto NO es una máquina simple: a. La carreta b. El martillo Solución: 32 1 a b c d c. El tornillo d. La silla 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d GUÍA - TALLER Nº 7. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Cuando se realiza una actividad que requiere algún esfuerzo intelectual o físico, como organizar el cuarto o elaborar las tareas, decimos que hemos realizado un trabajo. Pero para la física de la mecánica clásica realizar un trabajo ocurre cuando se transfiere energía a un cuerpo y éste cambia su estado de movimiento. Con lo anterior voy a señalar en cual evento ocurre trabajo, según la mecánica clásica. 1. _______________ 2. ________________ 3. ________________ 4. _________________ 5. _______________ 6. _________________ Con respecto a lo anterior formulo mi comentario, acerca de la conceptualización de trabajo: ______________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos para el planteamiento y solución de problemas relacionados con trabajo y potencia INDICADORES DE DESEMPEÑO: - Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con estática, trabajo y energía. Diseño el mentefacto proposicional según el pensamiento del conocimiento físico. 29 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. “Según la mecánica clásica, el efecto de traslación sobre un objeto, originado por una fuerza paralela a la dirección del desplazamiento, ocasiona un trabajo, magnitud escalar de proporción directa a la magnitud de la fuerza y del desplazamiento”. En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo. El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades. En el Sistema Cegesimal de Unidades se mide es el Ergio: 1 erg = 10-7 J Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía, nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW. Matemáticamente se expresa como: 𝑾 = 𝑭 × 𝒅 × 𝐜𝐨𝐬 𝜶 Donde 𝐹 es el módulo de la fuerza, "𝑑" es el desplazamiento y "𝛼" es el ángulo que forma entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento (véase dibujo). Cuando el vector fuerza es perpendicular al vector desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. Asimismo, si no hay desplazamiento, el trabajo también será nulo. FASE EXPRESIVA: Modelación, simulación y ejercitación. Modelación del planteamiento y solución de problemas relacionados con el concepto de trabajo. Indico el trabajo necesario para deslizar un cuerpo a 2 𝑚 de su posición inicial mediante una fuerza de 10 𝑁 𝑊 = 𝐹 × 𝑑 × cos 𝛼 Donde 𝛼 = 0° entonces cos 0° = 1 por tanto 𝑊 = 10𝑁 × 2𝑚 = 20𝐽 30 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 𝐹 = 10𝐽𝑁 𝑑 = 2𝑚 Solución: 𝑾 = 𝟐𝟎𝑱 Un cuerpo cae libremente y tarda 3 𝑠 en tocar tierra. Si su peso es de 4 𝑁 ¿qué trabajo deberá efectuarse para elevarlo hasta el lugar desde donde cayó? Expresarlo en Joule. 𝑊 = 𝐹 × 𝑑 × cos 𝛼 Donde 𝛼 = 0° entonces cos 0° = 1 por tanto en éste caso se trata de la fuerza peso, y al ser un movimiento vertical la distancia es la altura. Entonces: 𝑊 = 𝑤× Mediante cinemática calculamos la altura para caída libre. 𝑚 9,8 2 ×(3𝑠)2 𝑔×𝑡 2 𝑠 = Reemplazo. = = 44,1𝑚 2 2 Luego: 𝑊 = 𝑤 × Reemplazo. 𝑊 = 4𝑁 × 44,1𝑚 = 𝟏𝟕𝟔, 𝟒𝑱 Solución: 𝟏𝟕𝟔, 𝟒𝑱 𝑤 = 4𝑁 Respondo las preguntas 1. ¿Qué es el trabajo mecánico?. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2. ¿En qué unidades se mide el trabajo? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3. Si se levanta un cuerpo desde el suelo, ¿hay trabajo? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4. El trabajo realizado por una fuerza de 20𝑛𝑡, cuando actúa sobre un objeto con un ángulo de inclinación de 60º con respecto a la superficie y hace un desplazamiento de 10𝑚. Es:_________ 5. Un cuerpo se desplaza 100𝑚 sobre una superficie horizontal, cuando se aplica a la dirección de su trayectoria 50.000𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠. El trabajo, en joule, ejecutado sobre el cuerpo es: _________ En el valor de trabajo mecánico realizado por el Hombre o por una máquina, el factor tiempo no tiene ninguna influencia, o sea que el trabajo es independiente del tiempo empleado para efectuarlo. Así por ejemplo, para elevar 4 bloques que pesan 20𝑘𝑔 a 10 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 de altura el trabajo que realiza es de 200𝐽; no cambia de valor así se utilicé en la indicada operación tres horas, un día o un mes. Sin embargo en la actividad industrial no solo es necesario realizar cierta clase de trabajos, sino que es indispensable tener en cuenta el tiempo durante el cual el trabajo debe ser ejecutado. Si dos personas o máquinas realizan el mismo trabajo (elevar 400 litros de agua a 20 metros de altura) empleando cada una de ellas 31 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. diferente tiempo, se dice que tienen distinta potencia; si por ejemplo si una persona emplea la indicada operación tres horas y la otra cinco horas , la primera tiene mayor potencia que la segunda. Levantar un Kg. del suelo a la mesa, es trabajo que puede hacer un hombre en un segundo, y una hormiga en varias horas por esto es que se dice que el hombre tiene más potencia que una hormiga. Así, cuando se trata de las maquinas, y de un mismo trabajo, que se ejecuta a mitad o menos tiempo, que el que demora otra máquina, se dice que la máquina tiene el doble de potencia Potencia es una magnitud directamente proporcional al trabajo, e inversamente proporcional al tiempo correspondiente. 𝑷= 𝑾 𝒕 ó 𝑷 = 𝑭 × 𝒗 × 𝐜𝐨𝐬 𝜶 Donde 𝑷 es potencia, se mide en vatios en el S.I. de unidades y en el sistema cegesimal en 𝑒𝑟𝑔𝑖𝑜𝑠 𝑠 𝑾 es la magnitud de trabajo; "𝒕" es tiempo; 𝑭 fuerza; "𝒗" velocidad o rapidez; "𝜶" es el ángulo formado entre la dirección de aplicación de la fuerza 𝐹 y la dirección de las trayectoria del sistema físico. La potencia de un mecanismo es un concepto muy importante pues en un motor, por ejemplo lo que interesa no es la cantidad total de trabajo que puede hacer hasta que se descomponga sino la rapidez con la que pueda entregar el trabajo ó sea el trabajo que puede hacer en cada unidad de tiempo, que es precisamente la potencia. Conocido el pensamiento del conocimiento sobre potencia contesto. Dos máquinas realizan un trabajo de 1200𝐽, si una de ellas tarda 10 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 y la otra máquina 5 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠. La diferencia de las potencias es:__________. 10 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 = 600𝑠 5 𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑜𝑠 = 300𝑠 𝑃= 1200𝐽 600𝑠 = 2 𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 y 𝑃 = 1200𝐽 300𝑠 = 4 𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 la diferencia es 𝟐 𝒗𝒂𝒕𝒊𝒐𝒔 Respondo las preguntas 1. El trabajo aplicado por una máquina que lo realiza en 120 𝑠𝑒𝑔𝑢𝑛𝑑𝑜𝑠 una potencia de 5 𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑠 es:________________ 2. La potencia que manifiesta un móvil a 30 𝑚/𝑠, cuando se le aplica una fuerza paralela a su desplazamiento de 12𝑁 es: _______________ 1. Un carro de 1000𝑘𝑔 de masa alcanza una velocidad de 108𝑘𝑚/ en 12𝑠𝑒𝑔, partiendo del reposo. Determine el trabajo realizado por la fricción por ese tiempo._______ 2. La potencia del carro del punto anterior es: __________ 32 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 8. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Observa el gráfico y describe, ¿el por qué, desde el concepto de movimiento, al ocurrir el accidente el conducto lo vemos volando? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos para el planteamiento y solución de problemas relacionados con energía cinética INDICADORES DE DESEMPEÑO: Seguir instrucciones y utilizar flujogramas en el planteamiento y resolución de problemas aplicando el método científico. Diseño el mentefacto proposicional según el pensamiento del conocimiento físico. Según el sistema físico clásico, la energía, que es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza, se clasifica fundamentalmente en: Energía mecánica, que es la capacidad de un cuerpo para realizar movimiento, debido a su energía potencial o cinética. De igual manera se tiene la energía electromagnética, que es la cantidad de energía almacenada en una región del espacio atribuida a la presencia de un campo electromagnético. Otra es la energía térmica, que es una forma de energía, la cual interviene en los fenómenos caloríficos. 33 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Cuando un cuerpo está en movimiento posee energía cinética ya que al chocar contra otro puede moverlo y, por lo tanto, producir un trabajo. Para que un cuerpo adquiera energía cinética o de movimiento, es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor. Otro variable que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo. Por ejemplo, si una canica de 10 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 4 𝑘𝑚 / no se hará ningún esfuerzo por esquivarla. Sin embargo, si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión, de inmediato se intenta evitar la colisión. La ecuación que representa la Energía Cinética es: 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 𝐹 × 𝑑 = 𝑚 × 𝑎 × 𝑑 = 𝑚 × (𝑣𝑓 2 −𝑣𝑖 2 ) 2×𝑑 ×𝑑 = 𝑚 ×𝑣𝑓 2 2 − 𝑚 ×𝑣𝑖 2 2 A partir de esta ecuación se define la expresión que representa la ecuación de energía cinética; ese trabajo en función de velocidad: 𝒎 × 𝒗𝟐 𝜺𝒄 = 𝟐 𝜀𝑐 = Energía cinética 𝑚 = masa 𝑣 = velocidad En esta ecuación, debe haber concordancia entre las unidades empleadas. Todas ellas deben pertenecer al mismo sistema. En el Sistema Internacional (SI), la masa 𝒎 se mide en kilogramo (kg) y la velocidad 𝒗 en metros por segundo (m / s), con lo cual la energía cinética resulta medida en 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 ( 𝐽 ). En el sistema cegesimal se mide en 𝑒𝑟𝑔𝑖𝑜𝑠. Recuerdo que la energía cinética es de proporción directa a la masa del sistema físico y de la rapidez, es decir depende de la masa del cuerpo y de la rapidez o velocidad que manifieste. Como 𝑊𝑛𝑒𝑡𝑜 = 34 𝑚 ×𝑣𝑓 2 2 − 𝑚 ×𝑣𝑖 2 2 se afirma que: Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 𝑾𝒏𝒆𝒕𝒐 = 𝜺𝒄 𝒇 − 𝜺𝒄 𝒊 Esta relación se conoce como el teorema para el trabajo y energía cinética (TTE) Que se describe como: “El trabajo neto realizado por la fuerza neta que actúa sobre un sistema físico es igual al cambio de energía cinética, es decir, a la diferencia entre la energía cinética final y la energía cinética inicial”. FASE EXPRESIVA: Modelación, simulación y ejercitación. Modelación del planteamiento y solución de problemas relacionados con el concepto de energía cinética. 1. Una lanza de 8 𝑘𝑔 impacta en un saco de arena con una rapidez de 20 𝑚/𝑠 y sale de ella con una rapidez de 5 𝑚/𝑠. Calcula la energía disipada durante la colisión con el saco de arena 𝑚 ×𝑣 2 Debo encontrar la Energía Cinética con que impacta: 𝜀𝑐 = 2 𝜀𝑐 = 8𝑘𝑔 × (20 2 𝑚 2 ) 𝑠 = 1600𝐽 Calculo la Energía Cinética con la que sales del saco de arena. 𝜀𝑐 = 8𝑘𝑔 × (5 Entonces la energía disipada es: 𝑚 2 ) 𝑠 = 100𝐽 2 𝜀𝑐 = 1600𝐽 − 100𝐽 = 𝟏𝟓𝟎𝟎𝑱 2. Un cuerpo de 4 𝑘𝑔 entra a 5 𝑚/𝑠 en un plano horizontal con coeficiente de rozamiento 𝝁 = 0,1. A partir de ese momento actúan sobre el cuerpo una fuerza horizontal que realiza un trabajo de 80 𝐽 y la fuerza de rozamiento, que realiza un trabajo de −50 𝐽. Calculo: La velocidad final del cuerpo (𝑣𝑓 ) y la distancia que recorre (𝑑). Por el teorema para el trabajo y energía cinética (TTE), se tiene que: 𝑾𝒏𝒆𝒕𝒐 = 𝑾𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒉𝒐𝒓𝒊𝒛𝒐𝒏𝒕𝒂𝒍 − 𝑾𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒓𝒐𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝜺𝒄 𝒇 − 𝜺𝒄 𝒊 80𝐽 − 50𝐽 = 4𝑘𝑔 ×𝑣𝑓 2 2 − 𝑚 𝑠 4𝑘𝑔 ×(5 )2 2 𝒎 Despejo 𝑣𝑓 me da: 𝒗𝒇 = 𝟔, 𝟑𝟐 𝒔 Ahora para el cálculo de la distancia que recorre, lo asumo con el trabajo generado por la fuerza de rozamiento de −50 𝐽. 35 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Sobre el eje vertical solo actúan dos fuerzas opuestas que se encuentra en equilibrio dinámico la fuerza normal y el peso, entonces: 𝐹𝑁 = 𝑚 × 𝑔 = 4𝑘𝑔 × 9,8 𝑾𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒂 𝒓𝒐𝒛𝒂𝒎𝒊𝒆𝒏𝒕𝒐 = 𝑭 × 𝒅 × 𝐜𝐨𝐬 𝜶 Sustituyo: Despejo distancia recorrida 𝑑 obtengo: 𝑚 𝑠2 = 39,2𝑁 −50 𝐽 = 39,2𝑁 × 𝑑 × 𝑐𝑜𝑠 − 180° 𝒅 = 𝟏, 𝟐𝟖𝒎 Solución: La velocidad final del cuerpo es 𝟔, 𝟑𝟐 𝒎 𝒔 y distancia que recorre de 𝟏, 𝟐𝟖𝒎 1. Consulto, al menos dos hábitos, que a su vez los pueda adoptar para contribuir al ahorro energético. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 2. Cómo relacionar el concepto de trabajo y energía cinética sobre seguridad vial. ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Resuelvo los problemas 3. Un cuerpo de 6 𝑘𝑔 entra en un plano horizontal a una velocidad de 4 𝑚/𝑠. Debido al rozamiento con el plano el cuerpo se para después de recorrer 10 𝑚 en él. Calcula el coeficiente de rozamiento entre plano y cuerpo. R/ 0,08 ______________________________________________________________ 4. Calcula la energía cinética, en 𝑒𝑟𝑔𝑖𝑜𝑠, de un cuerpo de 2 𝑘𝑖𝑙𝑜𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠 de masa, si al lanzarlo se le imprime una velocidad inicial de 49 𝑚/𝑠 ______________________________________________________________ 5. Con que velocidad debe lanzarse una piedra de 0,5𝑘𝑔 de masa, para imprimirle una energía cinética de 5𝐽. ______________________________________________________________ 6. Sobre un disco de Jockey de 250 𝑔𝑟𝑎𝑚𝑜𝑠, actúa una fuerza horizontal que realiza un trabajo de 80𝐽. Si inicialmente el disco presenta una velocidad de 10 𝑚/𝑠 y después de recorrer 40 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 su velocidad es de 4 𝑚/𝑠. Cálculo el coeficiente de rozamiento que se da en el disco. _____________________________________________________________ 7. En el numeral 6, Evaluó el trabajo neto que realiza el disco de Jockey, cuando recorre los 40 metros. ______________________________________________________________ 8. En el numeral 6, Evaluó la magnitud de la fuerza de rozamiento. _____________________________________________________________ 36 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 9. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ___de 2011 (Tres horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Trabajo, es la transformación de energías por medios mecánicos. La energía se mide en términos de trabajo que puede realizar. El trabajo mecánico es aquel en el cual los cuerpos de masa conocidas se mueven a lo largo de distancias medidas. El trabajo en contra de la gravedad, ocurre cuando se levanta a cierta altura un cuerpo de masa conocida, en contra de la fuerza gravitatoria; como esta fuerza actúa vertical y hacia abajo, la fuerza aplicada es igual al peso del cuerpo y la distancia a la altura vencida. Este trabajo almacenado se denomina energía potencial gravitacional. Toda energía almacenada recibe el nombre de energía potencial. El trabajo en función de la velocidad se denomina energía cinética Para cada posición que aparece el patinador en el gráfico, según lo aprendido en el texto, nombro el tipo de su energía mecánica: A.________________________ B. ________________________ C. ________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos para el planteamiento y solución de problemas relacionados con energía potencial gravitatoria y elástica. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Desarrollar el pensamiento a través del uso adecuado de la proposición modal con sus respectivas operaciones intelectuales y mentefacto. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O. Todo cuerpo que esté ubicado a cierta altura del suelo posee energía potencial. Esta afirmación se comprueba cuando un objeto cae al suelo, siendo capaz de mover o deformar objetos que se encuentren a su paso. El movimiento o deformación será tanto mayor cuanto mayor sea la altura desde la cual cae el objeto. Cuando un ladrillo se levanta a una altura ; se realiza un trabajo sobre el ladrillo, trabajo que se convierte en energía potencial, pues surge de la fuerza de gravedad que actúa sobre el ladrillo. No existe el cero en la escala de energía potencial; incluso si el 37 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. cuerpo se coloca en el suelo, puede caer en un hueco y aún puede perder energía potencial. Otra forma de energía potencial es la que está almacenada en los alimentos, bajo la forma de energía química. Cuando estos alimentos son procesados por nuestro organismo, liberan la energía que tenían almacenada. Para una misma altura, la energía del cuerpo dependerá de su 𝒘 masa. Esta energía puede ser transferida de un cuerpo a otro y aparecer como energía cinética o de deformación. Sin embargo, 𝒉 mientras el cuerpo no descienda, la energía no se manifiesta: es energía potencial. Todos los cuerpos tienen energía potencial que será tanto mayor cuanto mayor sea su altura. Como la existencia de esta energía potencial se debe a la gravitación (fuerza de gravedad), su nombre más completo es energía potencial gravitatoria. Entonces: Energía potencial gravitatoria es aquella energía que poseen los cuerpos que se encuentran en altura. Esta energía es de proporción directa a la masa del cuerpo y de la atracción que la Tierra ejerce sobre él (gravedad). Demostración de la ecuación que relaciona la energía potencial gravitacional: 𝑊 = 𝐹 × 𝑑 × cos 𝛼 donde 𝛼 = 0° la fuerza en dirección a su desplazamiento. 𝑊 = 𝐸𝑃𝑔 = 𝑤 × = 𝑚 × 𝑔 × Ecuación para calcular la energía potencial gravitacional: 𝑬𝑷𝒈 = 𝒎 × 𝒈 × 𝒉 𝑬𝑷𝒈 : Energía potencial gravitacional; 𝒎: masa del cuerpo; 𝒈: Gravedad; 𝒉: altura La magnitud de la energía potencial gravitacional en un sistema físico, es de proporción directa a su masa, a la gravedad que está sometido y a la altura que tiene con respecto a la superficie. 1. Un cuerpo de 50 𝑛𝑡 de peso se halla en el punto más alto de un plano inclinado de 20 𝑚 de largo y 16 𝑚 de contacto con la superficie horizontal. Determino, su energía potencial gravitacional. 20m Por teorema de Pitágoras, se tiene: 2 = (20𝑚)2 − (16𝑚)2 Entonces = 12𝑚 𝐸𝑃𝑔 = 50𝑁 × 12𝑚 = 𝟔𝟎𝟎𝑱 Solución: La energía potencial gravitacional del cuerpo es 16m 𝟔𝟎𝟎𝑱 2. Un cuerpo a 120𝑚 de altura tiene una energía potencial gravitacional de 1800𝐽. La masa del cuerpo es: ______________________ 38 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 3. Desde qué altura se encuentra un cuerpo de 5000 𝑔 de masa; si se dice que tiene 3750𝐽 como energía potencial gravitacional: ____________________ Energía Potencial Elástica: Si se considera un resorte que cuelga del techo y uno de sus extremos está fijo, adosado al techo, mientras su otro extremo está libre, al ejercer una fuerza sobre el resorte éste se puede comprimir, disminuyendo su longitud. Para que el resorte no se estire será necesario mantener una fuerza sobre él. Al acabarse la fuerza, el resorte se descomprime, estirándose. Si ahora se tiene el resorte con un extremo fijo sobre la mesa, y se ejerce una fuerza para comprimirlo, si el extremo libre de este resorte se pone en contacto con algún cuerpo, al descomprimirse puede provocar que el objeto se mueva, comunicándole energía cinética (energía que poseen los cuerpos cuando se mueven). Este hecho pone de manifiesto que el resorte comprimido posee energía almacenada que se denomina energía potencial elástica. Otro ejemplo ocurre cuando se salta en una superficie elástica; la persona que cae desde cierta altura sobre la superficie elástica tiene inicialmente una energía potencial que irá disminuyendo progresivamente durante la caída, mientras que su energía cinética (de movimiento) irá aumentando. Al chocar contra la superficie se perderá energía cinética; la lona de la superficie elástica se pone tensa. La energía cinética se ha transferido a la lona, almacenándose en forma de energía potencial elástica. Ésta se pondrá de manifiesto rápidamente. La lona elástica se descomprimirá y le comunicarán movimiento al cuerpo hacia arriba, adquiriendo cierta velocidad, es decir, energía cinética. Ésta irá disminuyendo con la altura mientras que la energía potencial gravitacional irá aumentando ya que aumentará la altura del cuerpo. Es la energía acumulada en un cuerpo elástico tal como la lona de una superficie elástica. Se calcula como: 𝑬𝑷𝒆 = 𝑬𝑷𝒆 : Energía potencial elástica; desde la posición normal 𝑲: 𝟏 × 𝑲 × 𝜟𝒙𝟐 𝟐 Constante de elasticidad; 𝜟𝒙: Desplazamiento 1. Un resorte elástico tiene una constante 𝑘 = 2.5 × 103 𝑛𝑡 × 𝑚−1 y está en equilibrio. El propio peso del bloque (𝑚 = 20 𝑘𝑔) lo ha alargado una longitud . Calculo y cuánta energía potencial elástica almacena. Interpreto y argumento como: La altura se calcula igualando la fuerza recuperadora del resorte y el peso del resorte. 𝑭𝒓𝒆𝒄𝒖𝒑𝒆𝒓𝒂𝒅𝒐𝒓𝒂 = 𝒘 Se tiene: −𝒌 × 𝒉 = 𝒎 × 𝒈 Sustituyo los datos 𝒉 = 𝑚 = 39 20𝑘𝑔×10 2 𝑠 3 2.5×10 𝑁×𝑚 −1 = 0,08𝑚 El resorte se alarga 𝟎, 𝟎𝟖𝒎 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 𝒎×𝒈 𝒌 La energía potencial elástica es: 𝑬𝑷𝒆 = 𝟏 𝑬𝑷𝒆 = × 𝑲 × 𝜟𝒉𝟐 𝟐 Sustituyo. 𝟏 × 2.5 × 103 𝑁 × 𝑚−1 × (0,08𝑚)2 = 𝟖𝑱 𝟐 La energía potencial elástica es de 𝟖𝑱 2. Calculo el valor de la masa 𝑚 que hay que colgar del resorte que tiene una constante 𝑘 = 2.5 × 103 𝑁 × 𝑚−1 para que este en equilibrio y alcance su límite elástico. Esto ocurre cuando la fuerza que lo alarga es 16000𝑁. Cuánto se ha alargado. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ FASE EXPRESIVA: Modelación, simulación y ejercitación. Con los pensamientos del conocimiento interpretados, argumentados propongo armar el mentefacto conceptual en mi cuaderno de física. Se describe con la cantidad, mediante un número y una unidad. MAGNITUD ESCALAR Capacidad que tiene un cuerpo de realizar movimiento, debido a su energía potencial o cinética. ENERGÍA MECÁNICA Diferencia de energía que manifiesta un cuerpo al pasar entre dos estados. Energía que tienen los cuerpos en razón de su movimiento. ENERGÍA CINÉTICA TRABAJO Es la capacidad para realizar un trabajo. Es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. ENERGÍA POTENCIAL ENERGÍA TÉRMICA Energía asociada con los materiales elásticos. ENERGÍA POTENCIAL ELÁSTICA Según las fuerzas conservativas Cantidad de energía almacenada en una región del espacio que podemos atribuir a la presencia de un campo electromagnético. Según el estado de movimiento Energía que posee un cuerpo en un campo gravitatorio. ENERGÍA ENERGÍA ELECTROMAGNÉTICA Forma de energía que interviene en los fenómenos caloríficos. Energía asociada con la posición del objeto dentro de un campo de fuerzas conservativo. ENERGÍA POTENCIAL GRAVITATORIA 9. Un resorte cuya constante de elasticidad es de 10 𝑑𝑖𝑛𝑎𝑠/𝑐𝑚 se ha comprimido 0,4𝑚. La energía potencial elástica es: 10. Se deja caer 50 𝑘𝑔 de masa de cierto líquido desde una altura hasta una planicie a 100𝑚 de profundidad. La energía potencial de la masa del liquido es: ___________ 40 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 10. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ___de 2011 (Tres horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: ALEMANIA RENUNCIA A LA ENERGÍA NUCLEAR Tres décadas de encarnizadas polémicas llegaron a su fin el 30 de junio de 2011: El parlamento Alemán votó por amplia mayoría a favor del abandono de la energía Nuclear, en una sección calificada de “histórica”. El impacto de la tragedia de Fukushima fue clave en el vuelco dado por el gobierno de Ángela Merkel en la materia y así, Alemania Alcanzó el consenso político para apagar paulatinamente sus reactores hasta el año 2022. Los verdes y la izquierda fracasaron en cambio en su intento de consagrar constitucionalmente la renuncia a la energía Atómica. Pero eso no impidió que el partido ecologista celebrara como victoria propia la nueva ruta que emprende el país en cuanto a política energética, con la expectativa de convertirse en líder en el campo de las energías renovables. La apuesta que ha hecho Alemania con respecto a la sustitución de sus fuentes de generación nuclear por el desarrollo de energías renovables, no tiene precedentes a nivel de los países industrializados, que utilizan la tecnología nuclear como fuente de producción de electricidad. Esta decisión, ubica a Alemania como el referente a nivel mundial en la materia, a pesar de los interrogantes que plantea el plan de sustitución recientemente aprobado. Al leer el texto “ALEMANIA RENUNCIA A LA ENERGÍA NUCLEAR” contesto. Qué de importancia tiene para la humanidad, que Alemania tome la nueva ruta en cuanto a política energética: _______________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Qué suceso ocurrió para que Alemania apagara sus reactores nucleares de inmediato, hasta el año 2022: _______________________________________________________ ______________________________________________________________________ Según el texto, por qué se dice que los Verdes y la Izquierda fracasaron:____________ ______________________________________________________________________ Menciono qué posición debe tomar Colombia frente a la política de la utilización tecnológica de energía nuclear como fuente de producción de electricidad: __________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos para el planteamiento y solución de problemas relacionados con el principio de conservación de la energía. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Comprehender e interpretar textos donde: Explico condiciones de cambio y conservación en diversos sistemas, teniendo en cuenta transferencia y transporte de energía y su interacción con la materia. 41 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. La energía potencial es aquella que tiene un cuerpo debido a su posición en un determinado momento. Por ejemplo un cuerpo que se encuentra a una cierta altura puede caer y provocar un trabajo o un resorte comprimido o estirado puede mover un cuerpo también produciendo trabajo. La energía potencial ( 𝑬𝒑 ) la consideramos como la suma de las energías potencial gravitatoria (𝑬𝒑𝒈) y potencial elástica (𝑬𝒑𝒆), por lo tanto: 𝑬𝒑 = 𝑬𝒑𝒈 + 𝑬𝒑𝒆 Qué tipos de energías POTENCIALES con respecto a la superficie tiene el acróbata hombre y mujer para cada instante, señalados con numeral 1 y 2 según el gráfico. Instante 1 Hombre: ______________ Mujer: _____________ Instante 2 Hombre: ______________ Mujer: _____________ El principio de conservación de la energía mecánica afirma que cuando sobre un sistema actúan solo fuerzas conservativas, la energía mecánica total se conserva 𝜟𝑬𝒄 + 𝜟𝑬𝒑𝒈 = 𝟎 1. Un cuerpo de 10 kg de masa llega a la base de un plano inclinado a una velocidad de 15 m/s. La inclinación del plano es de 30º y no existe rozamiento entre el cuerpo y el plano. Calculo la distancia que recorrerá el cuerpo por el plano antes de detenerse. x Como en el sistema físico se tienen fuerzas conservativas, la energía mecánica se conserva; pues: 𝜟𝑬𝒄 + 𝜟𝑬𝒑𝒈 = 𝟎 1 2 30° 1 × 𝑚 × 𝑣𝑓 2 − 2 × 𝑚 × 𝑣𝑖 2 + 𝑚 × 𝑔 × 𝑓 − 𝑚 × 𝑔 × 𝑖 = 0 Donde 𝑣𝑖 y 𝑓 son iguales a cero. Se tiene: 1 2 𝑚 × 𝑔 × 0 − 𝑚 × 𝑔 × 𝑖 = 0 Queda que: Luego: 1 1 × 𝑚 × 𝑣𝑓 2 − × 𝑚 × 02 + 2 1 2 × 𝑚 × 𝑣𝑓 𝑣𝑓 2 2×𝑔 11,25𝑚 0,5 (15 𝑚 /𝑠)2 Reemplazo: 𝑖 = Por la razón trigonométrica seno, se tiene: sin 30° = 42 + −𝑚 × 𝑔 × 𝑖 = 0 × 𝑚 × 𝑣𝑓 2 = 𝑚 × 𝑔 × 𝑖 2 La altura inicial 𝑖 es: 𝑖 = 𝑥= 2 2×10𝑚 /𝑠 2 11,25m = 𝟐𝟐, 𝟓𝒎 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. x = 11,25𝑚 donde “𝑥” es: 𝑖 Solución: El cuerpo recorre por el plano antes de detenerse 𝟐𝟐, 𝟓𝒎 Un helicóptero deja caer paquetes de 2 𝑘𝑔 desde una altura de 50 𝑚. ¿A qué altura tendrán los paquetes una velocidad de 4 𝑚/𝑠? ¿Con qué velocidad llegarán al suelo? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 𝑹/ 𝒉 = 𝟒𝟗, 𝟐𝒎 𝒚 𝒗𝒇 = 𝟑𝟏, 𝟏𝒎/𝒔 Proceso: 1 2 1 × 𝑚 × 𝑣𝑓 2 − × 𝑚 × 𝑣𝑖 2 + 𝑚 × 𝑔 × 𝑓 − 𝑚 × 𝑔 × 𝑖 = 0 2 Como 𝑣𝑖 = 0 cae cierta distancia “𝑥” se tiene que 𝑓 = 50 − 𝑥; además por la propiedad uniforme se nula la magnitud masa 𝑚, queda en: 1 2 𝑚 𝑚 𝑠 𝑠2 × (4 )2 + 10 × 50 − 𝑥 𝑚 − 10 𝑚 𝑠2 × 50𝑚=0 despejo “𝑥” dándome 𝑥 = 0,8𝑚 Lo que significa que la altura que tendrán los paquetes una velocidad de 4 m/s es: = 50𝑚 − 0,8𝑚 = 𝟒𝟗, 𝟐𝒎 ¿Con qué velocidad llegarán al suelo? 1 2 1 × 𝑚 × 𝑣𝑓 2 − × 𝑚 × 𝑣𝑖 2 + 𝑚 × 𝑔 × 𝑓 − 𝑚 × 𝑔 × 𝑖 = 0 Por la propiedad 2 uniforme se anula la magnitud masa 𝑚 sustituyo datos en la ecuación. 1 1 2 𝑚 𝑚 × 𝑣𝑓 2 − 2 × 0 + 10 𝑠2 × 0 − 10 𝑠2 × 50𝑚 = 0 2 Despejo 𝑣𝑓 dándome: 𝒗𝒇 = 𝟑𝟏, 𝟔 𝒎/𝒔 Contesto: Un cohete de 5000 𝑘𝑔 de masa rompe el motor cuando se encuentra a 100 𝑚 de altura y subiendo con una velocidad de 75 𝑚/𝑠. Calculo la altura máxima que alcanzará. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 43 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. FASE EXPRESIVA: Modelación, simulación y ejercitación. Con los pensamientos del conocimiento interpretados, argumentados propongo la Extracción y modelación de pensamientos Construyo un mentefacto proposicional, del texto: “Según el conocimiento científico actual, las transferencias y transformaciones de la energía explican todas las experiencias humanas como subir un cuerpo pesado por un plano inclinado, encender una linterna o un bombillo, un motor de combustión interna, una planta termoeléctrica o la digestión de los alimentos”. Contesto: a. Si un cuerpo cae libremente desde una altura , ¿qué va sucediendo con la energía cinética y la energía potencial gravitatoria?_________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ b. Si un cuerpo es lanzado hacia arriba con una velocidad inicial 𝑣0 , ¿qué va pasando con su energía cinética y energía potencial gravitacional? _____________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 1. Una niña está asomada a su ventana lanzando pelotas de tenis hacia abajo. La velocidad de salida de las pelotas es de 1 m/s y la altura de la ventana es de 10 m 10𝑚 sobre la calle. ¿A qué velocidad llegan las pelotas a la calle? (𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 = 𝑠 2 ) _____________________________________________________________ 44 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA LABORATORIO Nº 11. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo interprete, argumente y proponga sobre los datos obtenidos de una experiencia dentro de un laboratorio, acerca trabajo y energía Motivación: No solo con las magnitudes vista en mecánica, como la velocidad, la aceleración, desplazamiento, el hombre considera, desde el siglo anterior que a través de magnitudes como trabajo y potencia describe lo relacionado con el movimiento. Algunas investigaciones sobre la eficiencia de las máquinas definieron los conceptos de trabajo y energía, conceptos que están ligados a la eficiencia de ellas. Como ejemplo una palanca que multiplica una fuerza aplicada; la combustión de la gasolina produce elevación de presión en los pistones la cual hace moverlos; la caída de agua sobre una turbina genera la energía eléctrica. Estudiando estas experiencias y otras con base a las leyes de Newton se logra establecer que las trasformaciones en esas máquinas ocurren de manera que siempre hay un conjunto de cantidades físicas cuya suma permanece constante. Algunas de ellas se les dieron el nombre de energía que está relacionado con la rapidez, como la energía cinética, con la altura, como la energía potencial gravitacional. La temperatura de un gas que está relacionada con la energía interna. La radiación que está relacionada con la luz eléctrica y la luz solar. Estas transformaciones que ocurren se analizan usando la ley de conservación de energía, como lo haré en esta práctica de laboratorio. Materiales: Un metro, pelota de tenis y balón de baloncesto, cronometro y Calculadora. Me pregunto: ¿las transferencias de momento lineal y energía en el choque de dos cuerpos, da lugar a efectos que por su magnitud sean sorprendentes? Experimento: 1. Dejo caer una pelota de tenis desde una altura de metro y medio y observo la altura que alcanza después del golpear con el suelo. 2. Repito la experiencia con el balón de baloncesto y observo de nuevo la altura alcanzada después del rebote. PASO 2 PASO 1 45 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Según lo observado manifiesto: ______________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 3. Ahora coloco la pelota de tenis justo encima del balón de baloncesto y suelto ambos desde la misma altura de metro y medio. Repito varias veces para comprobar que el resultado no es una casualidad. Datos de registro: Según la experiencia ¿Qué sucede?_________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Interpreto y argumento: Por qué se observa que la pelota de tenis sale dispara con mayor velocidad si esta cae desde la misma altura de metro y medio como en el paso1: ______________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Como en el choque entre las dos pelotas se conservan tanto el momento lineal como la energía mecánica, parte de la energía del balón de baloncesto, de mayor masa, pasa a la pelota de tenis que, al tener menor masa, sale disparada a toda velocidad. Qué efecto es sorprendente en el choque de las pelotas: ______________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ 46 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Materiales: Un metro, rampa de longitud conocida, un balín o canica, reglas, cinta métrica, pliego de papel bond, papel carbón, Calculadora Me pregunto: ¿Cómo la energía potencial de un cuerpo se transforma en energía cinética preservando el teorema de conservación de la energía mecánica? Experimento: 1. Realizo el montaje según el gráfico anexo, poniendo especial cuidado en que el extremo de la rampa coincida con el borde de la mesa de laboratorio y un móvil (El balín o canica) al caer por la rampa termine en el aire sin tocar la mesa. En el piso extiendo el pliego de papel bond, colocando encima el papel carbón a una distancia que el balín golpee por primera vez sobre el papel carbón, dejando la huella en el papel bond. 2. Para que el ángulo de inclinación sea conocido puedo elevar un extremo de la rampa una altura h igual a la mitad de su longitud. En esa situación el ángulo α de la rampa sobre la horizontal es 30°. Así, además, conozco la altura. 3. Por tanto, la energía potencial gravitacional 𝑬𝒑𝒈 = 𝒎 × 𝒈 × 𝒉 del balín que deslizará por la rampa es: ___________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 4. Si además la bola no se impulsa, sino que se deja caer, se sabe también la energía mecánica inicial de la bola es:__________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ Cuando la bola termina de recorrer la rampa su energía potencial se ha convertido en energía cinética. 5. Menciono la ecuación que me permite calcular la energía mecánica final:____________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 47 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Datos de registro: Para observar cuál es la energía cinética que tiene el balín en el momento final del recorrido por el plano inclinado se realiza un estudio sobre su caída libre en un tiro parabólico. El balín comienza su tiro parabólico con la velocidad "𝒗" inclinada un ángulo igual al del plano inclinado por debajo de la horizontal. La altura que recorre el balín hasta el suelo es "𝒚"; la de la mesa. El avance horizontal es el espacio "𝒙". Al caer al suelo el balín marca en el papel bond la huella; lanzo tres veces el balín y registro en la tabla la distancia horizontal "𝒙", luego saco el promedio de dicha distancia. La distancia a la mesa se mide sobre el suelo con una cinta métrica. Lanzamiento 1 Lanzamiento 2 Lanzamiento 3 Promedio Distancia horizontal "𝒙". Distancia vertical "𝒚" Conocidas estas dos longitudes, y utilizando las ecuaciones del tiro parabólico, se tiene: 𝒙𝟐 𝒗 = ×𝒈 𝟐𝒄𝒐𝒔𝟐 𝜶 × 𝒚 + (𝟐 × 𝒔𝒆𝒏𝜶 × 𝒄𝒐𝒔𝜶) × 𝒙 𝟐 Medido los valores de"𝒙" e "𝒚" en el montaje de la práctica y calcula el cuadrado de la 𝟐 velocidad "𝒗 "con la que cae la bola de la mesa: ______________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Calculo la energía cinética de la bola cuando empieza su caída libre:_______________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ Interpreto y argumento: Verifico el principio de conservación de la energía mecánica entre el momento en que la bola empieza su recorrido por la rampa y el momento en el que finaliza su trayecto por la rampa. Si no es así, intento explicar por qué:_____________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________ Si lo es: “La energía potencial de un cuerpo se transforma en energía cinética preservando el teorema de conservación de la energía mecánica”. Demuestro mi pregunta inicial. 48 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIOCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS PRUEBA FINAL DEL PERIODO GRADO NOVENO DE EVENTOS FISICOS Propósito Expresivo: Que yo aplique los procesos vistos en clase de la interpretación y argumentación los procesos aplicados en los conceptos de trabajo, energía y conservación de energía. 1. La energía cinética al llegar al piso, de un cuerpo de masa 𝑚 que se suelta desde el reposo desde una altura , es 𝐾𝑜 . Si se deja caer desde el reposo un cuerpo de masa 𝑚/4, desde una altura /2, la energía cinética al llegar al suelo es a. 𝐾0 b. 2 𝐾0 4 c. 𝐾0 d. 8 𝐾0 6 2. Un cuerpo de masa m se suelta sobre una pista homogénea de madera como se muestra en la figura y se observa que la rapidez con la que pasa por el punto 𝑝 vale 𝑔 RESPONDA LAS PREGUNTAS 3 Y 4 DE ACUERDO CON LA SIGUIENTE SITUACIÓN La figura muestra un tramo de una montaña rusa sin fricción La energía mecánica del carro es tal que cuando llega al punto 4 se encuentra en reposo 3. La velocidad del carro en 1 es. a. 𝑔 b. 2 × 𝑔 c. 2𝑔 d. 𝑔 2 4. La gráfica de la energía cinética como función de la coordenada x asociada a este movimiento es: 49 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 5. Una pelota se deja caer desde una altura h, con velocidad inicial cero. Si la colisión con el piso es elástica y se desprecia el rozamiento con el aire, se concluye que a. luego de la colisión la aceleración de la pelota es cero. b. la energía cinética de la pelota no varía mientras cae. c. luego de rebotar, la altura máxima de la pelota será igual a h. d. la energía mecánica total varía, porque la energía potencial cambia mientras la pelota cae. 6. Un cuerpo cae libremente. Cuando su energía potencial se haya disminuido en 100 julios, su energía cinética se habrá incrementado en julios: 𝑎. 0 𝑏. 10 𝑐. 50 𝑑. 100 7. La energía total de un cuerpo es de 4600 𝐽𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠. Se desplaza por una vía sin fricción y en el punto B tiene una energía potencial de 2000 𝑗𝑢𝑙𝑖𝑜𝑠 como lo muestra la figura; su energía cinética B 𝑎. 600 𝐽 𝑏. 1200𝐽 𝑐. 2600𝐽 𝑑. 4000 𝐽 8. Una pelota de 100𝑔 se encuentra 5𝑚 respecto al piso y se lanza hacia abajo con una rapidez de 10𝑚/𝑠. La energía total inicial de la pelota respecto al piso en Julios m (𝑔 = 10 2 ) es: s 𝑎. 1 𝑏. 5 𝑐. 5,5 𝑑. 10 9. Un cuerpo se mueve a 5 𝑚/𝑠 y la fuerza total paralela a su velocidad es de 100𝑛𝑡. La potencia en Wattios, es: 𝑎. 20 𝑏. 95 𝑐. 105 𝑑. 500 10. En la figura se observan dos esferas (a) y (b) de igual masa. En (a), la esfera desliza sin fricción a lo largo de un plano inclinado y en (b), cae libremente. (a) (b) m m La energía potencial inicial de (a) es: a. Igual a la de (b) b. Negativa respecto a (a) c. Igual a la cinética de (b) d. Independiente de su masa Solución: 1 a b c d 50 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d 7 a b c d Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d ARQUIDIÓCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS GUÍA-TALLER Año lectivo: ____________ “Aquel que se encuentre en el fondo, sentirá mayor presión” 51 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. COLEGIO: DOCENTE(S): GRADO: 9º ÁREA: Ciencias Naturales Y Educación Ambiental TIEMPO PREVISTO: HORAS: segundo período 39h/ período PRÓPÓSITOS DEL PERÍODO AFECTIVO: Que descubramos la utilidad de: • Plantear y resolver problemas sobre la aplicabilidad tecnológica de la mecánica clásica, con respecto a la hidrostática e hidrodinámica. • Extraer pensamientos y modelar mentefactos conceptuales y proposicionales cromatizados (de especificación, ejemplificación, de función y circunstanciales). Para que nos aproximemos al pensamiento científico integral. COGNITIVO: • Que comprehendamos precisiones conceptuales sobre aplicabilidad tecnológica de la mecánica clásica, con respecto a la hidrostática e hidrodinámica. EXPRESIVO: Que tengamos la capacidad de: • Plantear y resolver problemas sobre la aplicabilidad tecnológica de la mecánica clásica, con respecto a la hidrostática e hidrodinámica. • Extraer pensamientos, modelar mentefactos conceptuales y proposicionales cromatizados (De especificación, ejemplificación, de función y circunstanciales) Demostrando nuestros avances en el desarrollo del pensamiento científico integral. EVALUACION INDICADORES DE DESEMPEÑO 1. Desarrollo del pensamiento a través del uso adecuado de cromatizadores de la proposición conceptos y precategorías con sus respectivos mentefactos. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O: inferir, construir macroproposiciones y estructurar textos relacionados con fluidos. 2. Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en flujogramas lineales y de decisión en el planteamiento y solución de problemas relacionados con fluidos. 3. Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos. 4. Realizo lectura comprehensiva e interpreto textos relacionados con fluidos. 5. Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre fluidos. 52 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ENSEÑANZAS COMPETENCIAS Desarrollar el pensamiento a través del uso adecuado de la proposición modal con sus respectivas operaciones intelectuales y mentefacto. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O. Seguir instrucciones y utilizar flujogramas en el planteamiento y resolución de problemas aplicando el método científico. Interpretar y analizar datos, tablas y gráficos como resultado de la aplicación del método científico. Comprehender e interpretar textos donde: Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la carga eléctrica y a la masa. HABILIDADES Observar Plantear y argumentar hipótesis y regularidades Seguir instrucciones Relievar Inferir Construir macroproposiciones Realizar lectura comprehensiva Interpretar textos argumentales Producir textos argumentales Usar adecuadamente instrumentos de conocimiento; proposiciones, conceptos y precategorías Establecer relaciones Plantear y resolver problemas. Utilizo modelos biológicos, físicos y químicos para explicar la transformación y conservación de la energía. EJES TEMATICOS En el entorno físico Fluidos Concepto de hidrostática. Generalidades Aspectos previos. Hidrostática (Presión, Principio de Pascal, Principio de Arquímedes) Hidromecánica (Ecuación de continuidad, Teorema de Bernoulli). DIDACTICAS A EMPLEAR DURANTE EL PERÍODO: Didácticas proposicionales. Didácticas conceptuales Didácticas argumentales Experiencias de laboratorios y videos virtuales. 53 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIOCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS PRUEBA DIAGNOSTICA II PERIODO PARA GRADOS NOVENOS Propósito Expresivo: Que planteemos y resolvamos problemas aplicados al pensamiento de la mecánica clásica con respecto a la hidrostática e hidrodinámica. 1. Una persona que está de pie en la nieve, ¿en cuál de los siguientes casos ejerce mayor presión: a. b. c. d. Con esquís. Con botas. Con raquetas. Con botas y cargado con una mochila. 2. Cuando se dice: “Es más fácil cortar con un cuchillo cuando esta afilado”. El enunciado que justifica lo anterior, es: a. b. c. d. Hay mayor presión del cuchillo sobre la superficie de lo que se va cortar. Hay mayor contacto entre el cuchillo y la superficie de lo que se va cortar. El cuchillo tiene menor desgaste cuando esta afilado. La fuerza para cortar, que se aplicada en el cuchillo afilado es mayor. Responda las preguntas 3 y 4 según la afirmación “La presión es una magnitud escalar correspondiente a la razón entre la magnitud de la fuerza normal y el área de contacto del cuerpo con cierta superficie”. Se coloca un cuerpo de 30 𝑘𝑔 de masa sobre una superficie de 0,3 𝑚2 . 3. La fuerza normal que actúa en el cuerpo es: a. 500𝑁 b. 5𝑁 c. 300𝑁 d. 94𝑁 4. La presión que ejerce el cuerpo en la superficie es: 𝑁 a. 1000 𝑚 2 𝑁 b. 100 𝑚 2 𝑁 c. 500 𝑚 2 𝑁 d. 200 𝑚 2 5. La presión que actúa sobre una superficie se reduce a la mitad, cuando: a. b. c. d. Se duplica la superficie. Se reduce la superficie a la mitad. Se duplica su fuerza. Se reduce a la cuarta parte su fuerza 54 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 6. Un cubito de hielo de 40 𝑐𝑚3 de volumen flota en un vaso con agua. La parte sumergida es 36𝑐𝑚3 . Cuando el hielo se funde, ¿cuánto subirá el nivel del agua en el vaso? a. 40 𝑐𝑚3 . b. 4 𝑐𝑚3 . c. 36 𝑐𝑚3 . d. Nada. 7. La condición que debe cumplir un cuerpo sólido para que flote cuando se introduce en un líquido es: a. La densidad del sólido debe ser mayor que la del líquido. b. La densidad del líquido debe ser mayor que la del sólido. c. La densidad del sólido debe ser igual que la del líquido. d. Las densidades de ambos deben ser menores que las del agua Presión hidrostática 8. En un recipiente con agua, se mide la presión hidrostática o presión del agua en los puntos 1, 2 y 3, y los resultados obtenidos se muestran en la siguiente gráfica: 1 2 3 La figura que muestra los puntos en los cuales se pueden obtener dichos resultados es ●1 ●2 ●3 A. B. C. ● 1● 2● 3 ●1 ●1 ●2 ●3 ●2 D. ●3 9. La demostración del funcionamiento de un gato hidráulico se debe a: a. b. c. d. la presión de los fluidos. al principio de Arquímedes. al principio de Pascal. la presión atmosférica. 10. Un gato hidráulico tiene dos pistones de radio 1 y 5 cm. La fuerza, en Newton, necesaria en el pistón pequeño para que el grande levante un objeto de 10nt, es: a. b. c. d. 0,4 0,2 0,10 0,05 Solución: 55 1 a b c d 2 a b c d 3 a b c d 4 a b c d 5 a b c d 6 a b c d Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 7 a b c d 8 a b c d 9 a b c d 10 a b c d GUÍA - TALLER Nº 13. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Un tubo de plástico se cierra por la parte inferior con una arandela de goma. Como puede verse la arandela cae si se suelta la cuerda que la mantiene pegada al tubo, pero permanece en su posición si el tubo es introducido en un recipiente con agua, según el grafico 1. Esto indica que el líquido ejerce una fuerza hacia arriba sobre la arandela. Esta fuerza es considerable ya que, como se puede observar, es suficiente para mantener la arandela en su sitio. Cómo podría retirar de su sitio la arandela, según el grafico 1, cuando el tubo se introduce en el agua: __________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ __________________________________________________________________ Qué peso podría decirse que sea equivalente a la fuerza que el agua ejerce sobre la arandela, cuando el tubo se introduce sobre ella: __________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ Por qué la arandela de goma se desprende del tubo: (según el grafico 2) ________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo analice, resuelva y siga instrucciones precisas para dar solución adecuada de problemas de generalidades y aspectos previos de la hidrostática. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos. 56 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Se define presión como el cociente entre la componente normal de la fuerza sobre una superficie y el área de dicha superficie. La unidad de medida recibe el nombre de pascal (𝑃𝑎). En el sistema cegesimal se mide en bario (𝑏𝑎); donde 1𝑝𝑎 es equivalente a 10𝑏𝑎 𝑷= 𝑭𝑵 𝑨 Sobre un superficie horizontal descansa un bloque se 200𝑘𝑔 de masa. Si las dimensiones del bloque son de 20𝑐𝑚, 40 𝑐𝑚 𝑦 50𝑐𝑚. Contesto: 1. La presión física que se presenta cuando el bloque descansa por la cara de menor contacto con la superficie horizontal es: ________ Las dimensiones de la menor cara del bloque son 20𝑐𝑚 𝑦 40𝑐𝑚. La superficie de contacto es de 𝐴 = 20𝑐𝑚 × 40𝑐𝑚 = 800𝑐𝑚2 = 0,08𝑚2 La fuerza normal por la sumatoria de fuerzas sobre el eje “y” es igual a cero; lo que 𝑚 la fuerza normal es igual al peso 𝑤 = 200𝑘𝑔 × 9,8 𝑠 2 = 1960𝑁 1960𝑁 La presión física es de 𝑃 = 0,08𝑚 2 = 24500𝑝𝑎 Solución: La presión física que se presenta entre el bloque y la superficie donde descansa por la menor cara es de 24500𝑝𝑎 2. La presión física que se presenta cuando el bloque descansa por la cara de mayor contacto con la superficie horizontal es: ________ Las dimensiones de la menor cara del bloque son 40𝑐𝑚 𝑦 50𝑐𝑚. La superficie de contacto es de 𝐴 = 40𝑐𝑚 × 50𝑐𝑚 = 2000𝑐𝑚2 = 0,2𝑚2 1960𝑁 La presión física es de 𝑃 = 0,2𝑚 2 = 9800𝑝𝑎 Solución: La presión física que se presenta entre el bloque y la superficie donde descansa por la mayor cara es de 9800𝑝𝑎 3. Si por la cara de mayor superficie descansan dos bloque uno encima del otro, La presión física que se presenta es: __________ Se incrementa la normal por dos veces el peso del bloque, 𝑚 𝑤 = 2 × 200𝑘𝑔 × 9,8 𝑠 2 = 3920𝑁 La presión física es de 𝑃 = 3920𝑁 0,2𝑚 2 = 19600𝑝𝑎 Solución: La presión física que se presenta entre la columna de los dos bloques y la superficie donde descansa por la mayor cara es de 19600𝑝𝑎 A. Según los datos obtenidos en las preguntas 1 y 2, por qué esa diferencia de la presión física, cuando es el mismo bloque que descansa en la superficie horizontal: ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 57 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. B. Un cubo de 400𝑛𝑡 de peso descansa sobre una superficie horizontal ejerciendo sobre ella una presión física de 4 𝑝𝑎. La longitud de la arista del cubo es: ________ C. Un cilindro descansa por su base de 50𝑐𝑚 de diámetro. Si el cilindro tiene una masa de 50𝑘𝑔. La presión física que ejerce sobre la superficie donde descansa es: 𝑚 ( 𝑔𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 = 10 𝑠 2 𝑦 𝜋 = 3,14 ) _________________________________________ El texto del pensamiento del conocimiento, sobre la mecánica de los fluidos, lo gráfico en un mentefacto. “Según la aplicación tecnológica en sistemas orgánicos del hombre, la mecánica de fluidos, que estudia el movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan, se constituye fundamentalmente en: la mecánica de fluidos del sistema circulatorio, empleada en la hemodinámica, en el esfigmomanómetro (presión sanguínea), corazón artificial; la mecánica de fluidos del sistema respiratorio, empleada en los nebulizadores, espirómetros, concentradores de oxígeno, respirador mecánico y la mecánica de fluidos del sistema excretor, empleada en el riñón artificial, catéteres uretrales, dializador”. ALGUNAS CONVERSIONES DE LA UNIDAD DE MEDIDA DE PRESIÓN. En el sistema inglés la presión se mide en libras de presión (𝑝. 𝑠. 𝑖) Donde 1 𝑝. 𝑠. 𝑖. = 6900𝑝𝑎 También se mide en Torricelli (𝑡𝑜𝑟𝑟) empleada para medir la presión atmosférica. Cuyas conversiones son: 1 𝑡𝑜𝑟𝑟 = 1 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 = 1,013 × 105 𝑝𝑎 58 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. REALIZO LAS CONVERSIONES: Convierto 2,5 𝑃. 𝑆. 𝐼. en 𝑡𝑜𝑟𝑟 6900𝑝𝑎 1 𝑡𝑜𝑟𝑟 2,5 𝑃. 𝑆. 𝐼. = 2,5 𝑃. 𝑆. 𝐼.× 1 𝑝.𝑠.𝑖. × 1,013×10 5 𝑝𝑎 = 0,17𝑡𝑜𝑟𝑟 Al comprehender e interpretar lo anterior, respondo: 1. Convierto 34000𝑝𝑎 a Libras de presión: ___________________________________ 2. Convierto 1,5𝑎𝑡𝑚 a 𝑡𝑜𝑟𝑟: _______________________________________________ 3. Convierto 3,2 × 106 𝑎𝑡𝑚 a 𝑝𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙:________________________________________ 𝑛𝑡 4. Convertir 8,4 × 10−12 𝑚 2 a 𝑏𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠: _______________________________________ 5. Convertir 6,53 × 1024 𝑏𝑎 a 𝑎𝑡𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎𝑠: ___________________________________ 𝑘𝑔 1. La densidad de un bloque es de 200 𝑚 3 ; las dimensiones son de 20𝑐𝑚, 10𝑐𝑚 𝑦 5𝑐𝑚 𝑚 La presión ejercida por éste al apoyarlo sobre cada una de las caras es:( 𝑔 = 10 𝑠 2 ) ___________________________________________________________________ 2. Al colocarse cuatro cubos de 125𝑐𝑚3 en columna, donde la presión ejercida por ellos al apoyar la columna sobre una de las caras de uno de los cubos es de 𝑐𝑚 470,4𝑏𝑎 Si se toma la gravedad como 980 𝑠 2 la masa de uno de los cubos es: ___________________________________________________________________ 3. Consulto el volumen que ocupa 500gr de Aluminio. ( Consulta en la tabla periódica la densidad del Aluminio): ______________________________________________ 𝑔𝑟 4. Si la densidad del mar es de 1,04 𝑐𝑚 3 la masa que presenta 350𝑐𝑚3 es: __________ 5. Si el ladrillo de la figura adjunta tiene un peso de 15𝑛𝑡 y sus dimensiones son 40𝑐𝑚, 20𝑐𝑚 𝑦 60𝑐𝑚 la diferencia de presiones que se presenta al apoyarse en la superficie, según las dos posiciones A y B que toma es: ______________________ 59 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 14. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: La rama de la física que estudia los fluidos, recibe el nombre de mecánica de los fluidos, la cual a su vez tiene dos vertientes: hidrostática, que orienta su atención a los fluidos en reposo; e hidrodinámica, la cual incluye los fluidos en movimiento. Las substancias de constante masa, donde su forma puede cambiar fácilmente por deslizamiento debido a la acción de fuerzas pequeñas, se denominan fluido. Ocurren tanto en los líquidos como en los gases. Las fuerzas que actúan sobre una porción de fluido, son de dos paradigmas: la ocasionada por agentes exteriores, propiamente el peso de él, y las originadas por el fluido que está en su exterior mediante el contacto. Las últimas fuerzas actúan en la superficie del recipiente que lo contiene, fuerzas debidas a la presión, de las fuerzas tangenciales o de viscosidad. Las fuerzas tangenciales actúan sobre la superficie del recipiente, no pueden ser equilibradas por fuerzas interiores del fluido, de modo que ellas causan deslizamiento de dicho fluido. Si nos limitamos a fluidos en reposo, las fuerzas tangenciales no pueden existir. Ellas son notables fuera donde los fluidos no están en equilibrio. Los fluidos en equilibrio toman la forma del recipiente. En conclusión un fluido es un conjunto de moléculas distribuidas al azar que se mantienen unidas a través de fuerzas cohesivas débiles y las fuerzas ejercidas por las paredes del recipiente que lo contiene. Según el texto contesto. A. Cuales estados de la materia permiten su fluido: ___________________________ B. Por qué los sólidos no fluyen como lo hacen los líquidos y los gases: ____________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ C. Cual es las fuerzas que generan un fluido: _________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo analice, resuelva y siga instrucciones precisas para dar solución adecuada de problemas sobre presión hidrostática. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos. . 60 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Dispositivos como la prensa, la bomba hidráulica o la turbina, y aparatos de medida como el barómetro, tienen su base de funcionamiento en la experimentación sobre mecánica de fluidos, en la que desempeñaron destacados papeles figuras de la historia de la ciencia como Arquímedes, Evangelista Torricelli o Blaise Pascal. Desde el punto de vista específicamente físico, los fluidos presentan como características más significativas su carencia de elasticidad y la tendencia a adoptar la forma del recipiente que los contiene. La distinción entre líquidos y sólidos se fundamenta en la diferente intensidad de las fuerzas de cohesión que se establecen entre sus moléculas. No obstante, el estudio de tales aspectos corresponde en mayor medida a la ciencia química, ya que las relaciones físicas suelen analizarse de forma unitaria dentro de tres áreas fundamentales: la hidrostática, la hidrodinámica y la aerodinámica. Hidrostática Recibe el nombre de hidrostática la rama de la hidromecánica que se encarga del estudio de los fluidos en reposo. Las magnitudes fundamentales manejadas por la hidrostática son las de densidad y presión. Así, la densidad 𝜌 de un fluido se define como la masa contenida en una unidad de volumen de una sustancia (masa por unidad de volumen). Cuando se trata de una sustancia homogénea, la expresión para su cálculo es: Donde : Densidad de la sustancia, 𝐾𝑔/𝑚3 𝑚: Masa de la sustancia, 𝐾𝑔 𝑚 𝜌= 𝑉: Volumen de la sustancia, 𝑚3 𝑣 Como sustancia patrón se emplea el agua, a la que se asigna un valor de un gramo por centímetro cúbico (1 g/cm3) ó (1000kg/m3). Por su parte, la presión "𝑃" de un fluido, o fuerza 𝐹 que ejerce su masa por unidad de superficie "𝐴", es variable en los distintos puntos del mismo y aumenta con la profundidad "". 𝐹 Si 𝑃 = 𝐴𝑁 donde 𝐹𝑁 = 𝑤 = 𝑚 × 𝑔 tal que 𝑚 = 𝜌 × 𝑣 pero volumen "𝑣" se define como 𝑣 = 𝐴 × . 𝑃= 𝐹𝑁 𝐴 = 𝑤 𝐴 = 𝑚 ×𝑔 𝐴 = 𝜌×𝑣 ×g 𝐴 = 𝜌×𝐴× ×g 𝐴 Se suprime área “𝐴” nos queda presión hidrostática es equivalente a: 𝑃𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡 á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝜌 × 𝑔 × 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 = 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 61 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Represento en un mentefacto proposicional en pensamiento de conocimiento. “La hidromecánica, que es una rama de la mecánica de medios continuos, estudia el movimiento y propiedades de los fluidos”. A. Un objeto se encuentra a 20 metros de profundidad en una piscina. Se afirma que el cuerpo se percibe un presión hidrostática de: _____________ Como presión hidrostática se define como 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 = 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 Entonces se reemplaza los datos conocidos y se obtiene la presión hidrostática que percibe el objeto. 𝑘𝑔 𝑚 𝑛𝑡 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 = 1000 3 × 10 2 × 20𝑚 = 200000 2 = 20000𝑝𝑎 𝑚 𝑠 𝑚 Solución: Percibe 𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝒑𝒂 como presión hidrostática B. Un objeto está sometido a una presión hidrostática de 0,15𝑝𝑎, cuando se encuentra 𝑔 a la mitad de un tanque lleno de alcohol cuya densidad es de 0,79 3 ; Se puede 𝑚 afirmar que la altura del tanque es: _______ La densidad del alcohol en 𝑘𝑔 𝑚3 es: 0,79 𝑔 𝑚3 = 0,79 𝑔 𝑚3 × 1𝑘𝑔 1000𝑔 = 7,9 × 10−4 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 = 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 Entonces despejo “” me queda la ecuación = 𝑘𝑔 𝑚3 Como presión hidrostática se define como 𝝆×𝒈 Se reemplaza los datos conocidos y se obtiene la profundidad a la que se encuentra el objeto = 0,15𝑝𝑎 𝑘𝑔 𝑚 7,9×10 −4 3 ×10 2 𝑚 𝑠 = 18,99𝑚 Por tanto la altura del tanque es el doble de la profundidad del cuerpo; se tiene: 2 × 18,99𝑚 = 37,98𝑚 Solución: La altura del tanque es de 𝟑𝟕, 𝟗𝟖𝒎 62 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. C. A 8 𝑚 de profundidad en un recipiente lleno de cierto líquido, se detecta una presión hidrostática de 200𝑏𝑎. Se afirma que la densidad del liquido es: ______________ 1𝑝𝑎 Primero los 200𝑏𝑎 se convierten en pascal. 200𝑏𝑎 × 10𝑏𝑎 = 20𝑝𝑎 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 = 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 Entonces despejo “ 𝝆” me queda la ecuación 𝝆 = Como presión hidrostática se define como 𝒈×𝒉 Se reemplaza los datos conocidos y se obtiene 𝝆 = Solución: la densidad del líquido es 𝟎, 𝟐𝟓 𝑘𝑔 𝟐𝟎𝒑𝒂 𝑚 10 2 ×8𝑚 𝑠 𝑘𝑔 = 𝟎, 𝟐𝟓 𝑚 3 𝑚3 D. Un tapón que cierra el sumidero de un depósito tiene forma circular de diámetro 8 𝑐𝑚 y se encuentra a 4 metros de profundidad. Para extraer el tapón como mínimo se debe aplicar una fuerza de: _______________ 1𝑚 Primero los 8 𝑐𝑚 se convierten en metros. 8 𝑐𝑚 × 10 2 𝑚 = 8 × 10−2 𝑚 Se determina el área que abarca el tapón como el área de una circunferencia 𝐴 = 𝜋 × 𝑟 2 sustituyo radio como la mitad del diámetro. 𝐴 = 𝜋 × (4 × 10−2 𝑚)2 = 5,024 × 10−3 𝑚2 La presión hidrostática que actúa en el tapón es: 𝑘𝑔 𝑚 𝑷𝑯𝒊𝒅𝒓𝒐𝒔𝒕á𝒕𝒊𝒄𝒂 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 𝑚 3 × 10 𝑠 2 × 4𝑚 = 40000𝑝𝑎 Como presión se define 𝑃 = 𝐹𝑁 𝐴 la fuerza normal es la fuerza que hay que vencer para retirar le tapón. Entonces 𝐹𝑁 = 𝑃 × 𝐴 Reemplazo. 𝐹𝑁 = 40000𝑝𝑎 × 5,024 × 10 −3 𝑚2 = 201𝑛𝑡 Solución: la mínima fuerza que se debe aplicar para extraer el tapón es de 𝟐𝟎𝟏𝒏𝒕 𝑘𝑔 6. La densidad de un liquido es de 2 𝑚 3 ; si se sumerge un cuerpo a 2𝑚, la presión 𝑚 hidrostática que se manifiesta sobre el cuerpo es 𝑔 = 10 𝑠 2 : ________ 7. Un tapón que cierra el sumidero de un depósito de agua tiene forma circular de radio 2 𝑐𝑚 y se encuentra a una profundidad de 1,5 𝑚. La fuerza, en dinas, que 𝑐𝑚 debido al agua soporta el tapón es: (𝑔 = 980 𝑠 2 ) _________ 8. La presión hidrostática, en barios, que percibe un cuerpo sumergido en alcohol a 𝑔 50 𝑐𝑚𝑠 de profundidad, si la densidad del alcohol es de 2,5 es: ___________ 𝑚𝑙 9. Una piscina de 1,5 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 de profundidad, se afirma que su presión hidrostática en el fondo es de : __________ 10. Por qué cuando me sumerjo a cierta profundidad siento dolor en los oídos: ______ ___________________________________________________________________ 63 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 15. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Con el conocimiento que tengo de presión hidrostática, contesto. 1. Algunos insectos en sus patas tienen mecánicos de ventosas que le permiten hospedarse en los cielorrasos pues no se caen, me pregunto qué ocurre con las ventosas cuando se pegan a la pared: ____________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2. Cuando quiero extraer un líquido de un recipiente y pasarlo a otro lugar lo hago con un gotero. Cuál es el mecanismo que ocurre en el gotero, para que suba el liquido por su tubo: _________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 3. Menciona un ejemplo donde ocurra la misma experiencia que la del gotero:_______ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 4. Por qué ocurre que al llenar una botella con agua y la invierto con cierta técnica, observo que el liquido no se derrama, aunque no tenga tapa: _________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 5. Por qué cuando tomo una botella de plástico vacía y le agrego agua caliente por unos segundo, para luego botarla y taparla, observo que las paredes laterales de la botella se comprimen: __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo interprete, argumente y siga instrucciones en la búsqueda de solución a situaciones problemas de presión hidrostática y presión atmosférica. 64 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos. Evangelista Torricelli (Faenza, actual Italia, 1608-Florencia, 1647) Físico y matemático italiano. Se atribuye a Evangelista Torricelli la invención del barómetro. Instrumento para medir la presión atmosférica. Las capas del aire ejercen sobre todo cuerpo una presión a la que se le denomina presión atmosférica y que tiene relación hasta con el factor de tiempo en la tierra. Es decir, corresponde a ese valor de la presión sobre cualquier punto de la superficie terrestre, que ejerce toda la masa de aire atmosférico. El aire siendo un estado gaseoso, su fuerza atmosférica la hace perpendicular a la superficie del cuerpo donde interactúa, ya que el aire tiende a ocupar todo el espacio. La presión atmosférica es aplicable a la atmósfera de cualquier planeta o satélite. En un punto determinado de la tierra sobre el nivel del mar la presión atmosférica coincide numéricamente con el peso de una columna estática de aire de sección recta unitaria que se extiende desde ese punto hasta el límite superior de la atmósfera, aproximadamente hasta 40 𝑘𝑖𝑙ó𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 de altura. Ya que la densidad del aire merma conforme aumenta la altura, no se puede calcular su peso, solo si se tiene en cuenta la variación de la densidad del aire ρ en función de la altitud. El cálculo de la presión se hace difícil por la variación de altitud terrestre. Ella en un lugar determinado experimenta variaciones asociadas con los cambios meteorológicos. La presión atmosférica decrece a razón de 1 𝑚𝑚 𝐻𝑔 o Torr por cada 10 𝑚 de elevación en los niveles próximos al del mar. En la práctica se utilizan unos instrumentos, llamados altímetros, que son simples barómetros aneroides calibrados en alturas; estos instrumentos no son muy precisos. La presión atmosférica normalizada,1 𝑎𝑡𝑚ó𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎, fue definida como la presión atmosférica media al nivel del mar que se adoptó como exactamente 101 325 𝑃𝑎 𝑜 760 𝑇𝑜𝑟𝑟. No obstante, a partir de 1982, la IUPAC pidió que si se trata de especificar las propiedades físicas de las sustancias "el estándar de presión" debía definirse como exactamente 100 𝑘𝑃𝑎 o (≈ 750,062 𝑇𝑜𝑟𝑟). Este cambio tiene una ventaja práctica porque 100 𝑘𝑃𝑎 equivalen a una altitud aproximada de 112 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠, que está cercana al promedio de 194 𝑚 de la población mundial. 65 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. FASE EXPRESIVA: Construcción de mentefacto conceptual del pensamiento de conocimiento en mecánica de fluidos. Armo el mentefacto conceptual de manera lógica Según la aplicación tecnológica en sistemas orgánicos del hombre MECÁNICA DE FLUIDOS DEL SISTEMA RESPIRATORIO MECÁNICA DE FLUIDOS Riñón artificial. Catéteres uretrales. Dializador (diálisis) MECÁNICA DE FLUIDOS DEL SISTEMA CIRCULATORIO Hemodinámica. Esfigmomanómetro (presión sanguínea) Corazón artificial. MECÁNICA DEL SÓLIDO RÍGIDO MECÁNICA DE MEDIOS CONTINUOS Nebulizadores, espirómetros, concentradores de oxígeno, respirador mecánico. MECÁNICA DE FLUIDOS DEL SISTEMA EXCRETOR Movimiento de los fluidos (gases y líquidos) así como las fuerzas que los provocan. Principio de Pascal. Principio de Arquímedes. Teorema de Bernouilli. Ecuación de continuidad. Comportamiento de sólidos deformables ante situaciones como la aplicación de cargas o efectos térmicos. * Propone un modelo unificado para sólidos deformables, sólidos rígidos y fluidos. * Fluidos como líquidos y gases. Estudia el movimiento y equilibrio de sólidos materiales ignorando sus deformaciones. MECÁNICA DE SÓLIDOS DEFORMABLES Estructuro un texto conceptual con base en el anterior mentefacto que arme en mi cuaderno. Si se va desde una posición 0 cuya presión es 𝑃0 hasta una profundidad "" cuya presión es "𝑃", en un trayecto vertical se dice que:𝑃 − 𝑃0 = 𝜌 × 𝑔 × − 0 donde 0 ya que corresponde a la posición sobre el nivel del líquido es igual a cero, mientras que 𝑃0 es el valor de la presión atmosférica que está sometido el líquido en dicho depósito. Entonces se tiene la ecuación: 𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 Donde cada variable corresponde a: 𝑷: Presión a una profundidad "𝒉" . 𝑷𝟎 : Presión atmosférica que actúa sobre el líquido en cierto depósito. 𝝆: Densidad del líquido. 𝝆: Gravedad 𝒉: Profundidad Con lo anterior me propongo resolver problemas sobre presión hidrostática. 66 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 1. Un buzo se encuentra a una profundidad de 𝑔 10 metros en aguas del mar a 1,04 𝑐𝑐 . Si antes de sumergirse midió la presión atmosférica en el lugar y le registro 1 𝑎𝑡𝑚ó𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 ¿Cuál es la presión, en atmósferas, que experimenta el buzo a esa 𝑐𝑚 profundidad? (𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 = 980 𝑠 2 ) Primero convierto 1𝑎𝑡𝑚 en 𝑏𝑎𝑟𝑖𝑜𝑠. 1013240 𝑏𝑎 1𝑎𝑡𝑚 × 1𝑎𝑡𝑚 = 1013240𝑏𝑎 Reemplazo los datos conocidos en la ecuación generalizada de presión hidrostática: 𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 𝑔 𝑐𝑚 𝑷 = 1013240𝑏𝑎 + 1,04 × 980 2 × 1000𝑐𝑚 = 1013240𝑏𝑎 + 1019200𝑏𝑎 𝑐𝑐 𝑠 1atm 𝑃 = 2032440ba × = 𝟐, 𝟎𝟏𝒂𝒕𝒎 1013240ba Solución: La presión que experimenta el buzo es de 𝟐, 𝟎𝟏𝒂𝒕𝒎 2. El punto de profundidad más alto que tiene un lago es de 500 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠. Si el lago por su altitud se encuentra sobre su superficie una presión atmosférica de 0,8 𝑎𝑡𝑚. ¿Cuál es la presión, en atmósferas, que experimentaría un objeto en el punto de 𝑚 mayor profundidad del lago? (𝐺𝑟𝑎𝑣𝑒𝑑𝑎𝑑 = 9,8 𝑠 2 ) Realizo el problema en el S.I. de unidades. 101324 𝑝𝑎 Convierto 0,8𝑎𝑡𝑚 𝑎 𝑝𝑎𝑠𝑐𝑎𝑙 entonces: 0,8𝑎𝑡𝑚 × 1𝑎𝑡𝑚 = 8105,6𝑝𝑎 Reemplazo los datos conocidos en la ecuación generalizada de presión hidrostática: 𝑷 = 𝑷𝟎 + 𝝆 × 𝒈 × 𝒉 𝑘𝑔 𝑚 𝑷 = 8105,6𝑝𝑎 + 1000 𝑚 3 × 9,8 𝑠 2 × 500𝑚 = 8105,6𝑝𝑎 + 4900000𝑝𝑎 𝑷 = 4908105,6𝑝𝑎 × 1𝑎𝑡𝑚 101324 pa = 𝟒𝟖, 𝟒𝟒 𝒂𝒕𝒎 Solución: La presión que se experimenta 𝟒𝟖, 𝟒𝟒 𝒂𝒕𝒎 1. La presión ejercida en barios por el agua sobre la base de un tanque cilíndrico de 150 𝑐𝑚 de diámetro y 3.000 𝑐𝑐 de capacidad, cuando en su superficie hay una presión atmosférica de 0,5 𝑎𝑡𝑚 es: ______________________________________________ 2. La presión, en atmósferas, que soporta un buzo sumergido a 16 𝑚 de la superficie sabiendo que a 2 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 de profundidad la presión es de 1232712,6𝑏𝑎 𝑔 y la densidad del agua es de 1,12 . es: _______________________________ 𝑐𝑐 3. La presión atmosférica en el lugar donde el buzo se sumerge, en barios es: _________________________________________________________________ 4. En la superficie de un lago hay una presión atmosférica de 078 𝑎𝑡𝑚 se una persona se sumerge y esta se encuentra a una presión de 1,4 𝑎𝑡𝑚; la profundidad donde se encuentra la persona es: ___________________________ 67 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 16. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Un tubo en forma de U que contiene mercurio se conecta a un recipiente que contiene cierto gas, de manera que en cada columna de la forma de la U se tiene diferencia de niveles de mercurio; entonces la presión que hay dentro del recipiente tiene una presión diferente a la presión atmosférica. Si la columna que está en contacto con el exterior es mayor se dice que hay más presión dentro del recipiente, o lo contrario, habrá menor presión. Por ejemplo si la diferencia de altura es de 15𝑐𝑚, se dice que el gas se encuentra a una presión de 150 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔 mayor que la presión atmosférica. Como 760 𝑚𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔 equivalen a 1 𝑎𝑡𝑚ó𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎, entonces el gas esta a 0,2 𝑎𝑡𝑚 mayor que la presión atmosférica. Este instrumento que permite medir la diferencia de presiones entre la presión exterior y la que se encuentra un gas dentro del recipiente se denomina Barómetro. El barómetro es instrumento que permite medir la presión que un gas ejerce dentro de las paredes del recipiente que lo contiene. La ciudad Santiago de Cali se encuentra a 1013,2𝑃𝑎 si el gas dentro del recipiente marco una diferencia de niveles, en el barómetro de 15𝑐𝑚 𝑑𝑒 𝐻𝑔 se encuentre en esta ciudad. La presión del gas en el interior de las paredes del recipiente, en atmosferas, es: _________________ Primero pasamos 1013,2𝑃𝑎 a atmósferas: 100𝑃𝑎 1atm 1013,2𝑃𝑎 × × = 0,999atm 1𝑃𝑎 101324 Pa La diferencia de presiones en el manómetro: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 − 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑎𝑡𝑚ó𝑠𝑓𝑒𝑟𝑖𝑐𝑎 = 𝑑𝑖𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑣𝑒𝑙𝑒𝑠 𝑒𝑛 𝑐𝑎𝑑𝑎 𝑟𝑎𝑚𝑎 Reemplazo: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 − 0,999𝑎𝑡𝑚 = 0,2𝑎𝑡𝑚 Por tanto: 𝑃𝑟𝑒𝑠𝑖ó𝑛 𝑑𝑒𝑙 𝑔𝑎𝑠 = 0,2𝑎𝑡𝑚 + 0,999𝑎𝑡𝑚 = 𝟏, 𝟏𝟗𝟗 𝒂𝒕𝒎 Contesto. Cuando se infla una llanta de un automóvil el calibrador (Hace las veces del barómetro) nos dicen que normal son 30 𝑝. 𝑠. 𝑖. (libras de presión) donde cada 𝑝. 𝑠. 𝑖. equivale a 6900𝑃𝑎. La presión que el aire ejerce en el interior de las paredes de la llanta estando en la ciudad de Santiago de Cali es: ____________ 68 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos aplicados en el planteamiento y la solución de problemas relacionados con el principio de Pascal INDICADORES DE DESEMPEÑO: Realizo lectura comprehensiva e interpreto textos relacionados con fluidos. Un recipiente que en su interior se comunique con todo vaso levantado desde el fondo y que permite el fluido de vaso a vaso de un liquido homogéneo, se dice que son vasos comunicantes; observo que cuando el líquido está en reposo alcanza el mismo nivel en todos los recipientes, sin influir la forma y volumen de éstos. Al agregarle además cierto líquido continuo observando que el líquido fluye por todos los vasos y al final todos tienen el mismo nivel. Esto se debe a que la presión atmosférica y la gravedad son persistentes en cada recipiente, por lo tanto la presión hidrostática a una profundidad dada es constante, sin intervenir su geometría ni la clase de líquido. En la época de la Antigua Roma, se utilizo los vasos comunicantes para preservar desniveles del terreno al canalizar agua con tuberías de plomo. El agua alcanzará el mismo nivel en los puntos elevados de la angostura, actuando como los vasos comunicantes, aunque la profundidad máxima a preservar dependía de la capacidad del tubo para soportar la presión. En la actualidad en las ciudades se colocan los depósitos de agua potable en los lugares más altos, para que las tuberías, funcionando como vasos comunicantes, distribuyan el agua a las plantas altas de los edificios con bastante presión. Las prensas hidráulicas se basan en este mismo principio y son muy utilizadas en diversos mecanismos de la tecnología. Al interpretar el texto anterior, acerca de los vasos comunicantes, contesto. Menciono un ejemplo, donde se haga uso del principio físico que ocurre en los vasos comunicantes: __________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 69 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. FASE EXPRESIVA: Ejercitación El texto lo gráfico en un mentefacto proposicional. “Según la “Paradoja hidrostática” ponen en comunicación varios vasos de formas diferentes, tal que el líquido alcanza el mismo nivel en todas ellas sin influir la forma y volumen, pues la presión ejercida por un liquido sobre el fondo, depende exclusivamente de la presión atmosférica que ejercen las capas de aire sobre la superficie del liquido y de la gravedad, que permanentemente interactúa la tierra sobre todo cuerpo en su superficie terrestre”. Un tubo de 4 𝑐𝑚2 de sección esta unido a la parte superior de un recipiente de 2 𝑐𝑚 de altura y 10 𝑐𝑚2 de sección. Se vierte agua dentro del sistema llevándolo a una altura de 8 𝑐𝑚 por encima del fondo del depósito. Adjunto gráfico. A. Afirmo que la fuerza ejercida por el agua sobre el fondo del depósito es: _________ 𝐹𝑁 Como 𝑃 = además la presión hidrostática es 𝑃𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑠𝑡 á𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝜌 × 𝑔 × entonces 𝐴 la fuerza ejercida por el agua en el fondo del depósito es: 70 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 𝐹𝑁 = 𝜌 × 𝑔 × × 𝐴 Reemplazo 𝐹𝑁 𝑔 = 1 𝑐𝑐 × 980 𝑐𝑚 × 2𝑐𝑚 × (10 − 4) 𝑐𝑚2 𝑠2 𝐹𝑁 = 𝟏𝟏𝟕𝟔𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 Sol: la fuerza ejercida por el agua sobre el fondo del depósito es: 𝟏𝟏𝟕𝟔𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 B. Afirmo que la fuerza ejercida por el agua sobre el fondo del depósito, si el nivel del agua solo fuera la altura del depósito, es: ____________ 𝑔 𝐹𝑁 = 𝜌 × 𝑔 × × 𝐴 Reemplazo 𝐹𝑁 = 1 𝑐𝑐 × 980 𝑐𝑚 × 2𝑐𝑚 × 10 𝑐𝑚2 𝑠2 𝐹𝑁 = 𝟏𝟗𝟔𝟎𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 Sol: la fuerza ejercida por el agua sobre el fondo del depósito es: 𝟏𝟗𝟔𝟎𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 C. Afirmo que la fuerza ejercida por el agua sobre el fondo del depósito, en los 4 𝑐𝑚2 de sección del tubo unido al depósito es:______________ 𝑔 𝐹𝑁 = 𝜌 × 𝑔 × × 𝐴 Reemplazo 𝐹𝑁 = 1 𝑐𝑐 × 980 𝑐𝑚 × 8𝑐𝑚 × 4 𝑐𝑚2 𝑠2 𝐹𝑁 = 𝟑𝟏𝟑𝟔𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 Sol: la fuerza ejercida por el agua sobre el fondo del depósito es:𝟑𝟏𝟑𝟔𝟎𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 D. Afirmo que el exceso de fuerza generada por el exceso de agua depositada en el tubo es: _____________ 𝑔 𝐹𝑁 = 𝜌 × 𝑔 × × 𝐴 Reemplazo 𝐹𝑁 = 1 𝑐𝑐 × 980 𝑐𝑚 × 6𝑐𝑚 × 4 𝑐𝑚2 𝑠2 𝐹𝑁 = 𝟐𝟑𝟓𝟐𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 Sol: El exceso de fuerza generada por el exceso de agua es: 𝟐𝟑𝟓𝟐𝟎 𝒅𝒊𝒏𝒂𝒔 Del anterior ejemplo, contesto. 1. Por qué parte del fondo es vulnerable a que el depósito se reviente. Justifique la respuesta:________________________________________________________ ________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 2. En un experimento Pascal reventó un barril lleno de agua usando solo una pequeña cantidad adicional de líquido agregado por un tubo muy largo y delgado. Explico por qué se revienta el barril: ________________ _____________________________________________ _____________________________________________ _____________________________________________ 3. Consulto qué conclusión física con respecto a la presión hidrostática menciona Pascal con esta experiencia: _____________________________________________ _____________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 71 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 17. TIEMPO PREVISTO: La semana del ___ al __ de ______de 2011 (3 horas semanales). FASE AFECTIVA ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: Se tiene un sistema físico como la figura 1. En el interior hay un líquido denso. Cada columna se encuentra en contacto con el exterior a través de una base uniforme, de igual calibre, que desliza sobre la columna, sin permitir el paso del liquido denso. Con lo aprehendido acerca de presión hidrostática contesto. 1. Se puede afirmar que las dos base se encuentran a la misma altura: ____________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ 2. Al colocar cierto peso en la columna de menor diámetro, lo que ocurre en la columna de mayor diámetro es: _________________________________________ 3. Por qué un peso menor colocado en la columna de menor diámetro mueve la columna de mayor diámetro, sabiendo que ella presenta una base de mayor peso que la base que tiene esa columna:______________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda e intérprete los procesos aplicados en el planteamiento y la solución de problemas relacionados con el principio de Pascal INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos. Los líquidos difieren de los sólidos ya que cambian la forma, pues adoptan la del recipiente. Bajo la acción de una fuerza exterior conservan el mismo volumen, ya que son incompresibles. Entonces se define que los líquidos trasmiten a los cuerpos en contacto con él las presiones externas que se le apliquen. 72 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. En una jeringa, en su orificio de inyección, anexo un recipiente que en sus paredes tiene perforaciones de pequeños diámetros. La lleno de agua hasta el cilindro de la jeringa. Al empujar el embolo hacia adentro observo que la presión se transmite y se iguala por todos los agujeros, pues verifico que por cada uno de ellos el líquido sale de la misma forma. El físico, matemático, filósofo y escritor francés, Blaise Pascal (1623 - 1662) con esta experiencia enunció el siguiente principio: "La presión ejercida sobre la superficie libre de un líquido en equilibrio se transmite íntegramente y en todo sentido a todos los puntos de la masa líquida”. 𝐹𝑁 Como 𝑃𝐴 = 𝑃𝐵 donde presión es: 𝑃 = Se 𝐴 concluye el principio de Pascal con la ecuación: 𝑭𝟏 𝑭𝟐 = 𝑨𝟏 𝑨𝟐 Se tiene en cuenta que 𝑭𝟏 y 𝑨𝟏 es la fuerza o peso aplicado y área o superficie de la sección 1; mientras que 𝑭𝟐 y 𝑨𝟐 es la fuerza o peso aplicado y área o superficie de la sección 2 Lo anterior lo puedo verificar con un instrumento de laboratorio como el señalado en la figura donde observo que al aplicar cierta fuerza F, esta ocasiona el mismo nivel o altura del líquido en cada columna; quiere decir que la presión que ejerce el líquido sobre el interior de las paredes del recipiente que lo contiene es equivalente. Con lo interpretado y argumentado acerca del principio de Pascal contesto. 1. Menciono al menos dos experiencias donde se haga uso de este principio de Pascal: __________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 2. Consulto sobre el mecanismo de los frenos hidráulicos en los vehículos: _______ _________________________________________________________________ FASE EXPRESIVA: Ejercitación 73 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Con los textos del pensamiento del conocimiento sobre el principio de Pascal, elaboro los mentefactos proposicionales. “Según la hidromecánica, los líquidos y gases, que se categorizan como fluidos, difieren entre si ya que los líquidos son incompresibles mientras que los gases son mínimamente incompresibles”. “Según el principio de Pascal, sobre las paredes del recipiente y cada punto del líquido, todos los fluidos transmiten instantáneamente presión”. Calculo la presión ejercida en el fondo de un tanque de 25 𝑚 de altura que contiene petróleo. Si efectuó sobre la superficie de éste una presión de 150 𝑁/𝑐𝑚2 : _______ Como se efectúa en la superficie del tanque que contiene petróleo una presión de 150 𝑁/𝑐𝑚2 ; según el principio de Pascal esta presión es la misma en todo lugar del tanque incluyendo en el fondo a los 25𝑚 de altura. Solución: 𝟏𝟓𝟎 𝒏𝒕/𝒄𝒎𝟐 Cuál sería la presión si el tanque estuviera sometido a la presión atmosférica normal: ______ 𝑁 La presión atmosférica normal es de 1 𝑎𝑡𝑚 que equivale a 101324 2 convierto a 𝑚 2 𝑁 1𝑚 𝑁 𝑁/𝒄𝒎𝟐 es: 101324 2 × = 10,1324 2 𝑚 10000 𝑐𝑚 2 𝑐𝑚 Sobre la superficie del tanque con petróleo interactúa la suma de la presión atmosférica normal y la presión que se le aplica; entonces estas se suman y es la 𝑁 𝑁 𝑁 presión que actúa en el fondo del tanque: 10,1324 𝑐𝑚 2 + 150 𝑐𝑚 2 = 160,1324 𝑐𝑚 2 Solución: 𝟏𝟔𝟎, 𝟏𝟑𝟐𝟒 𝑵/𝒄𝒎𝟐 74 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. La Prensa Hidráulica es un mecanismo para obtener fuerzas de compresión mayor, apoyadas en el principio de Pascal. Si sobre un líquido confinado en un recipiente, aplico una fuerza F1 sobre una superficie A1, obtengo una fuerza F2 mayor que F1 en otro cilindro de sección A2 mayor que A1: 𝑭𝟏 𝑭𝟐 = 𝑨𝟏 𝑨𝟐 La prensa hidráulica se aplica en varios aparatos que se encuentran hoy en día en el entorno como: en el sistema de frenos y en los amortiguadores de automóviles, en las prensas para extracción de aceites, en los asientos de odontólogos y peluqueros, en ascensores y elevadores hidráulicos, en las máquinas que moldean las partes de la carrocería de automóviles, etc. Si la fuerza se ejerce sobre el pistón grande, entonces se obtendrá una fuerza menor sobre el pequeño. Aplico lo comprehendido. La base de un elevador hidráulico de automóviles posee un cilindro de 1,40 𝑚 de diámetro conectado a un pistón de fuerza de 10 𝑐𝑚 de diámetro. La fuerza que deberá ejercerse sobre el pistón para sostener un automóvil de 1250 kgf es: ______ El radio de la base del elevador hidráulico es de 70𝑐𝑚 Aplicando la ecuación del principio de Pascal 𝑭𝟏 𝑨𝟏 = 𝐹= 𝑭𝟐 𝑨𝟐 Reemplazo 1250 𝑘𝑔𝑓 𝜋×(70𝑐𝑚 )2 1250𝑘𝑔𝑓 ×𝜋×(10𝑐𝑚 )2 𝜋×(70𝑐𝑚 )2 = 𝐹 𝜋×(10𝑐𝑚 )2 Despejo Fuerza 𝐹 = 25,5𝑘𝑔𝑓 Solución: La fuerza que deberá ejercerse sobre el pistón es de 𝟐𝟓, 𝟓𝒌𝒈𝒇 1. Los émbolos de una prensa hidráulica tiene secciones circulares donde sus diámetros son de 4𝑐𝑚 y 24𝑐𝑚 . Cuál es la fuerza que se produce en el émbolo de de mayor diámetro cuando en el de menor diámetro se ejecuta una fuerza de 40𝑛𝑡: ___________________________________ 2. Se tiene un tubo en U con tubos de sección diferente y cada uno con base de elevador hidráulico. Uno tiene una sección de 80𝑐𝑚2 y el otro de 500𝑐𝑚2 . Si sobre la base de menor sección se coloca un peso de 8𝑘𝑔𝑓 para que las dos bases estén sobre la misma horizontal, el peso que se debe colocar en la otra base es: _________________ 3. El pistón de un elevador hidráulico para automóviles tiene 30 𝑐𝑚 de diámetro. La presión, en 𝑙𝑖𝑏𝑟𝑎𝑠/𝑝𝑢𝑙𝑔𝑎𝑑𝑎2, que deberá ejercer para levantar un automóvil que pesa 1500 𝑘𝑔𝑓 es: _____________________ 4. Quiero construir una prensa hidráulica que permita obtener una fuerza de compresión de 630 𝑛𝑡. Dispongo de un émbolo de 100 𝑐𝑚2 de sección y una fuerza máxima de 300 𝑛𝑡. La sección del otro émbolo debe ser de:______________________ 75 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 18. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. LA CORONA DE ORO DEL REY HERÓN Según se cree, Arquímedes fue llamado por él el rey Herón de Siracusa, donde Arquímedes vivió en el siglo III A.C., para dilucidar el siguiente problema. Se cuenta que el rey Herón de Siracusa le había entregado a un platero una cierta cantidad de oro para con ella le hiciera una corona. Cuando estuvo terminada, se decía que el platero había sustituido una parte del oro por una cantidad equivalente de plata, devaluando con ello la corona y engañando, pues, al rey. El rey encargó a Arquímedes que descubriera si había sido engañado. El problema que Arquímedes debía resolver era determinar si el joyero había sustraído parte del oro o no, pero no podía romper la corona para averiguarlo. ¡Eureka! y corrió desnudo. Arquímedes pensó arduamente cómo resolver el problema, sin poder encontrar una solución. Se dice que mientras se disponía a bañarse en una tina, en la que por error había puesto demasiada agua, al sumergirse en ella, parte del agua se derramó. Arquímedes se dio cuenta de que este hecho podía ayudarle a resolver el enigma planteado por Herón y fue tal su regocijo que, desnudo, salió corriendo de la tina gritando "¡Eureka, eureka!" (Que significa "¡Lo encontré, lo encontré!"). En efecto, Arquímedes, con esta observación, dio origen a un método para determinar el volumen de distintos tipos de sólidos. Este método se conoce con el nombre de Medición de Volumen por Desplazamiento (de líquidos). -Explico con mis palabras la importancia de este descubrimiento. ¿Cómo lo podrías aplicar en la cotidianidad? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ 76 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda y resuelva algunos casos físicos los cuales se aplican el principio de Arquímedes. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre fluidos. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES El volumen de un cuerpo es, hablando de manera simple, la cantidad de espacio que ese cuerpo ocupa. Existen distintas maneras de determinar (medir) el volumen de los cuerpos: El siguiente método, es especialmente útil para medir el volumen de cuerpos sólidos impermeables, es decir, cuerpos sólidos que no absorben líquidos. -El primer método para calcular el volumen es el matemático, y se emplea en cuerpos regulares, fácilmente medibles. Por ejemplo, una goma que puede tener 3 cm de largo, por 2 cm de ancho por un cm de alto: Se multiplica el largo (3) por el ancho (2) por el alto(1) y se obtiene el volumen en cm cúbicos: 3 * 2* 1 = 6 cm cúbicos (6 cc) -Para explicar en segundo método, consideremos un cuerpo sólido impermeable como una goma de borrar, una bolita o una piedra. Supongamos que queremos determinar el volumen de una piedra. (El método es igualmente útil para cualquiera de los otros dos objetos) FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN Una manera de determinar el volumen de la piedra consiste en tomar una probeta de unos 30 ml, por ejemplo (como la de la figura), y llenarla de agua hasta la marca de 20 ml. A continuación, se deposita la piedra dentro del agua. Una vez que la piedra se haya hundido completamente el nivel del agua habrá ascendido, desde los 20 ml iniciales a, digamos, 23 ml, por ejemplo. La diferencia de nivel determina el volumen de la piedra, 3 ml ó 3 cm3 o 3 cc (3 centímetros cúbicos), en este caso. Ya que la piedra no absorbe agua, el espacio que ocupa la piedra desplaza el agua hacia arriba y, de esta manera es posible determinar su volumen. PROBETA Una forma ligeramente diferente de realizar la misma tarea, consiste en llenar de agua completamente un recipiente cualquiera y ponerlo sobre una cubeta. Después, se introduce la piedra al agua. Esto producirá un rebalse del agua que caerá en la cubeta. El agua que cayó en la cubeta se vierte en una probeta y se mide. 77 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. El resultado de esa medición determina el volumen de la piedra. Este fue el resultado que encontró Arquímedes al bañarse en la tina. Es importante destacar que es posible utilizar este mismo método para determinar el volumen de cuerpos irregulares como una pera o una zanahoria, por ejemplo. El principio de Arquímedes se enuncia de la siguiente manera: “Al sumergir total o parcialmente un cuerpo en un fluido, este experimentara una fuerza adicional vertical vertida de abaja hacia arriba llamada empuje y de magnitud igual al peso del fluido desplazado” FUERZA DE EMPUJE: Sobre un cuerpo sumergido actúan dos fuerzas; su peso, que es vertical y hacia abajo y el empuje que es vertical pero hacia arriba. Si queremos saber si un cuerpo flota es necesario conocer su peso específico, que es igual a su peso dividido por su volumen. Entonces, se pueden producir tres casos: 1. si el peso es mayor que el empuje ( P > E ), el cuerpo se hunde. Es decir, el peso específico del cuerpo es mayor al del líquido. 2. si el peso es igual que el empuje ( P = E ), el cuerpo no se hunde ni emerge. El peso específico del cuerpo es igual al del líquido. 3. Si el peso es menor que el empuje ( P < E ), el cuerpo flota. El peso específico del cuerpo es menor al del líquido. Ejemplo: Supongamos un cuerpo sumergido de densidad ρ rodeado por un fluido de densidad ρf. El área de la base del cuerpo es A y su altura h. La presión debida al fluido sobre la base superior es p1= ρfgx, y la presión debida al fluido en la base inferior es p2= ρfg(x+h). La presión sobre la superficie lateral es variable y depende de la altura, está comprendida entre p1 y p2. Las fuerzas debidas a la presión del fluido sobre la superficie lateral se anulan. Las otras fuerzas sobre el cuerpo son las siguientes: Peso del cuerpo, mg Fuerza debida a la presión sobre la base superior, p1·A Fuerza debida a la presión sobre la base inferior, p2·A En el equilibrio tendremos que mg+p1·A= p2·A mg+ρfgx·A= ρfg(x+h)·A o bien, mg=ρfh·Ag. El peso del cuerpo mg es igual a la fuerza de empuje ρfh·Ag 78 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. FASE EXPRESIVA: Resuelvo los siguientes ejercicios de aplicación 1. Globo de helio. ¿qué volumen V de helio se necesita si un globo debe elevar una carga de 180kg (incluido el peso del globo vacío)? 2. ¿Arquímedes la corona es de oro? Cuando una corona de 14.7kg de masa se sumerge en agua, una balanza precisa sólo indica 13.4 kg. ¿La corona está hecha de oro? 3. Cuánto volumen tiene un objeto que al ser puesto dentro de una probeta realiza los siguientes cambios: a) 50 ml a 55 ml R// b) 32 ml a 78,7 ml R// c) 14,698 ml a 74,325 ml R// d) 10 ml a 5 ml ¿Qué podría haber pasado? Indago y escribo 4-¿Por qué en el mar muerto flotamos? ¿Por qué se llama así? 5- ¿Qué es la densidad? 6- A parte del principio que lleva su nombre, ¿Cuáles otros descubrimientos físicosmatemáticos se le atribuyen a Arquímedes? 7-Por que los barcos no se hunden. Ejercitación en casa: FLOTABILIDAD Y PRINCIPIO DE ARQUIMEDES ¿Qué fracción de una pieza de aluminio estará sumergida cuando flote en mercurio? ¿Cuál es la probable identidad de un metal si una muestra tiene una masa de 63.5 g cuando se mide en el aire y una masa aparente de 55.4 g cuando está sume5rgida en agua? Una cámara de investigación submarina es esférica con un di9ámetro externo de 5,20 m. La masa de la cámara, cuando está ocupada, es de 74,400 kg. Está anclada al fondo marino mediante un cable. ¿Cuál es a) la fuerza boyante sobre la cámara y b) la tensión en el cable. Una pieza de madera de 0,48 kg flota en agua pero se hunde en alcohol (GE = 0,79) en el aire tiene una masa aparente de 0.047 kg. ¿Cuál es la GE de la madera? 79 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 19. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. ¿POR QUÉ FLOTA UN GLOBO LLENO DE HELIO? cantidad de masa que tenga el cuerpo no es lo que determina su flotación. Si escribes esta pregunta en la internet, la respuesta más común dice que los globos flotan porque el helio es más liviano que el aire, pero resulta que esto no es precisamente correcto. Más que una cuestión de peso la posibilidad de flotar se debe a un tema de densidad. Es claro que es imposible flotar en un cuerpo sólido, así que en general decimos que la flotación ocurre en los fluidos, para este efecto los físicos no hacen mayor diferencia entre fluidos líquidos o gaseosos, como por ejemplo agua o aire. Así el hecho de que un cuerpo flote, o no, se puede explicar bajos los mismos principios ya sea en aire o agua. Para descartar el asunto del peso se pone un ejemplo que podemos contestar de la experiencia cotidiana: una tablita de madera flota en el agua, ahora, si ponemos a flotar una tonelada de la misma madera… se hundiría? Y si son 10 toneladas? Pues… no, no importa cuanta madera pongamos siempre seguirá flotando en el agua, así que la 80 El globo es una membrana elástica de hule o látex, sabemos que esta membrana por sí sola no flota lo que nos dice que su densidad es mayor que la del aire, pero el helio, a presión atmosférica, tiene un densidad menor que la del aire, lo suficientemente pequeña como para que al inflar el globo con helio el promedio de la densidad de ambos (helio y globo) sea menor que la del aire, el resultado es el que tanto nos divirtió (y aún nos divierte) cuando éramos niños, un globo que se eleva por los aires. Esto nos explica también porque un globo inflado con aire de nuestros pulmones no flota si no que más bien cae, nosotros exhalamos dióxido de carbono que es un poco más denso que el oxígeno principal componente del aire que respiramos, el resultado es que un globo inflado por nosotros mismos tendrá una densidad media mayor que la del aire por lo que se “hundirá” en él. Entendiendo la condición de la densidad para la flotación en fluidos comprendemos entonces que no cualquier cosa llena de helio va a remontarse al aire, sería muy gracioso ver al vendedor de globos corriendo detrás de su tanque de helio, pero no sucede porque el metal del que está hecho es muy denso así que la densidad promedio del tanque lleno de helio será siempre mayor que la del aire. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. -Escribo un pequeño análisis de la lectura anterior? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda y resuelva algunos casos físicos los cuales se aplican el principio de Arquímedes. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre fluidos. PRINCIPIO DE ARQUÍMEDES II FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN Recordemos que el teormea se exprese como: “Todo cuerpo total o parcialmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza de empuje vertical y hacia arriba igual al peso de fluido desalojado.” Demostracion del teorema de Arquímedes: Se parte de dos conceptos ya conocidos: Peso: W = mg Densidad: d = m/V (Ecu. 1) (Ecu. 2). Según Arquímedes, la fuerza de empuje es igual al peso del fluido desalojado, es decir: FE = WFd (Ecu. 3) Pero según Ecu. 1: WFd = mFd g remplazamos en Ecu. 3 esta expresión: FE = mFd g (Ecu. 4) De Ecu. 2 se deduce que: dV = m, remplazamos en Ecu. 4, es decir: FE = dFd VFd g -> FE = dVg 81 (Fuerza de empuje) Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. d: densidad; V: volumen; g:gravedad Ejemplo 1: Una esfera de hierro de 3 cm de radio se deja caer en un estanque lleno de agua de 120 cm de prfundidad. calcular: a) peso de la esfera b) empuje c)Fuerza resultante d) acelracion que tarda en llegar al fondo s// a) peso de la esfera: por que m=dv y dhierro=7,8 g/cm3 3 g 4 cm p 7,8 3 3cm 980 2 cm 3 s p 864516 d p= mg = dVg b) empuje: E d agua vg d agua 1 g cm3 g 4 E 1 3 3cm cm 3 3 cm 980 2 110835,3 d s c) fuerza resultante: Fr = P-E Fr=864516 d – 110835,3 d = 753680,73 d d) aceleración de la esfera: a 753680 d fr fr cm 854,35 2 m dhierrov 882,16 g s e) Tiempo que tarda en llegar al fondo: at 2 y vot despejando 2 2y 2(120cm) t 0,53s cm a 854,35 2 s Ejemplo 2: Un bloque de madera de densidad 0,6 g/cm3 y dimensiones 80cm*10cm*5cm flota en el agua. Calcula la fracción de volumen que permanece sumergida: S// 82 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. El bloque de madera se encuentra en equilibrio es decir: f E mg 0 d f vs g db vg Donde Vs: volumen sumergido; df=densidad del agua; db: densidad del bloque vs g *V cm3 0, 6V g 1 3 cm 0, 6 Es decir, se sumerge los 6/10 del volumen del cuerpo FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1-Consulto una bibliografía sintética de quién fue Arquímedes: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2- Una esfera de hierro de 3 cm de radio se deja caer en un estanque lleno de agua de 200 cm de prfundidad. calculo: a) peso de la esfera b) empuje c)Fuerza resultante d) acelracion que tarda en llegar al fondo S// 3- Un bloque de madera de densidad 0,8 g/cm3 y dimensiones 50cm*10cm*10cm flota en el agua. Calcula la fracción de volumen que permanece sumergida: S// 83 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 20. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. AERODINÁMICA: Todos los aviones tienen alas que emplean la presion del aire para sostenerlo. Las alas tienen una superficie superior curva que hace que el aire fluya más rápidamente por encima que por debajo. La presión es menor en un gas en movimiento de modo que la presión del aire disminuye sobre el ala. Una baja presión por encima y una presión normal por debajo producen una fuerza ascendente sobre el ala denominada fuerza de sustentación. Al despegar se requiere mayor fuerza de sustentación, por lo cual el ángulo de ala es más pronunciado para incrementar la velocidad del aire. Muchos aviones tiene alerones en el borde de sus alas que pueden ser extendidos para lograr una fuerza de sustentación adicional cuando el avión se mueve lentamente a través del aire, como al despegar o aterrizar. Quien pilotea un avión debe atender el estado del tiempo, que a su vez de regula por cambios en la presión del aire. Son después de todo, diferencias en la presión del aire las que hacen que el viento sople. los o las pilotos reciben siempre reportes actualizados del estado del tiempo de los espacios que recorrerán. La medición de la presión atmosférica facilita los pronósticos del tiempo. La presión del aire se traza en cuadros por medio de isobaras, que son líneas conectoras de áreas de presión similar. Una baja presión generalmente significa mal tiempo y la presión alta, tiempo estable (Fig 1.2.3). -Escribo con mis propias palabras el funcionamiento para que pueda volar un avión: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 84 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: hidromecánica en física. Que yo comprehenda el concepto de INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos (hidromecánica). HIDROMECÁNICA HIDROESTATICA: El término hidrostática se refiere al estudio de los fluidos en reposo. Los fluidos son substancias, idealizadamente un continuo de masa, donde su forma puede cambiar fácilmente por escurrimiento debido a la acción defuerzas pequeñas. Son fluidos tanto los líquidos como los gases. Si se analizan las fuerzas que pueden actuar sobre una porción de fluido, ellas son de dos tipos: causada por agentes exteriores, típicamente el peso de él, y las causadas por el fluido que está en su exterior mediante contacto . FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN Principio fundamental: Habrás oído muchas veces que la presión puede matar a un submarinista o romper un submarino, pero ¿por qué ocurre esto?. Cuando un cuerpo se encuentra en el interior de un fluido (sea este líquido o gas) experimenta fuerzas en toda su superficie, estas fuerzas son siempre perpendiculares a la superficie del cuerpo. Como sobre el cuerpo sumergido actúa una fuerza por superficie entonces está actuando una presión. Esto lo puedes comprobar muy fácilmente si haces un agujero en una botella de plástico llena de agua, observarás que el chorro sale perpendicular a la superficie donde hiciste el agujero. La presión en el interior de un fluido se denomina presión hidrostática y depende de la densidad del fluido y de la profundidad a la que estemos, esto se conoce como principio fundamental de la hidrostática y matemáticamente se expresa mediante la ecuación: P= dgh Esta expresión es muy importante pues permite calcular la presión dentro de un fluido si sabemos la densidad de éste (d) y la profundidad (h), la profundidad debe ir en unidades del sistema internacional, es decir, en metros y la densidad debe ir obligatoriamente en kg/m3, es frecuente que te den la densidad en otras unidades 85 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. típicas como g/mL, g/L, g/cm3 en estos casos antes de nada debes pasarla a kg/m3, la presión se obtendrá, por tanto, en unidades del S.I. (Pascales). Como puedes observar la presión dentro de un mismo fluido sólo depende de la profundidad y no de la forma ni tamaño del recipiente y entonces habrá la misma presión a un metro de profundidad en un río que a un metro de profundidad en un "vaso" de un metro lleno de agua aunque parezca extraño. Ejemplos: 1- Calculo la presión a una profundidad de 20 metros en el mar sabiendo que la densidad del agua del mar es de 1,03 kg/L. s// Aplicamos la expresión p = dgh, antes de nada debemos pasar la densidad del agua de mar a kg/m3, para ello utilizamos factores de conversión: 1, 03 kg 1000L kg * 1030 3 3 L 1m m Por tanto: p = d · g · h = 1030 · 9,8 · 20 = 201880 Pa 2- Calculo la fuerza que actúa sobre una chapa cuadrada de 10 cm de lado sumergida en agua a una profundidad de 40 cm. Densidad del agua 1000 kg/m3. S// Calculamos la presión a esa profundidad: p = d · g · h = 1000 · 9,8 · 0,4 = 3920 Pa y ahora despejamos la fuerza de la ecuación de definición de la presión: p=f/A ---- F=p*a Debemos calcular la superficie de la chapa que como es un cuadrado será 0,1 · 0,1 = 0,01 m2 Y ya podemos calcular la fuerza sobre la chapa F = p · S = 3920 · 0,01 = 39,2 N FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1-Ejercicios a) ¿Qué fuerza actúa sobre la espalda de un buceador si bucea a 3 m de profundidad en agua dulce y su espalda tiene una superficie de 0,3 m2? S// 86 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. b) Un submarino puede bajar hasta los 2000 m de profundidad en agua dulce, calculo la presión que soporta. ¿A qué profundidad podría bajar si se sumerge en mercurio que tiene una densidad de 13600 g/L? S// c) ¿Con qué fuerza hay que tirar para quitar el tapón de una bañera llena de agua hasta los 80 cm si el tapón es circular y de radio 3 cm? S// 3-Busco una fuente bibliográfica que me plantee cinco situaciones donde pueda aplicar la hidromecánica. Los resuelvo en mi cuaderno. 4- Grafico los siguientes mentefactos proposicionales: La hidromecánica, que es una rama de la mecánica de medios continuos, estudia el movimiento y propiedades de los fluidos. Según el principio de Arquímedes, los cuerpos, que estén sumergidos parcial o totalmente en un medio fluido, experimentan un empuje, que es ascendente y que es igual al peso del fluido que desaloja. 87 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 21. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. PRESIÓN SANGUÍNEA: La presion sanguinea se mide utilizando un tensiometro. El instrumento esta unido a una bolsa cerrad que se arrolla alrededor del brazo. en primer lugar, la presion del aire en la bolsa se elva bien por encima de la presion sanguinea sistolica inyectando aire dentro de ella. Esto aplasta la arteria braquial del brazo interrumpiendo el flujo de sangre en las arterias del antebrazo. A continuacion se suelta gradualmente el aire de la bolsa al tiempo que se utiliza un estetoscopio para escuchar la vuelta del puslo al antebrazo. El primer sonido ocurre cuando la presion en la bolsa es exactamente igual a la presion sistolica, porque entonces la sangre a esa presion maxima puede abrirse paso atraves de la arteria aplastada. Este limitado flujo de sangre hace en la arteria un caracteristico sonido de golpeteo que se detecta con el esttoscopio. Por ultimo, se deja escapar mas aire de la bolsa para bajar mas la presion en ella. El sonido cesa cuando la presion iguala a la presion diastolecia, porque entonces la sangre a baja presion es capaz de pasar a traves de la arteria del brazo. La presion, cuando cesa el sonido, es igual a la presion sanguinea diastotelica en milimetros de mercurio. Para asegurar que las presiones medidas son iguales a la presiones en la aorta, debe colocarse la bolsa en el brazo a la altura del corazon. -Escribe en tus propias palabras el funcionamiento de la medición de la presión sanguínea a través del tensiómetro: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 88 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda la ecuación de continuidad y algunas de sus aplicaciones físicas. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con fluidos (ecuación de continuidad). ECUACIÒN DE CONTINUIDAD La disciplina de la hidromecánica que estudia las propiedades y el comportamiento de los líquidos y gases en movimiento reciben el nombre de hidrodinámica. Esta ciencia emplea los conceptos generales de densidad y presión e incluye consideraciones acerca de la viscosidad y los fenómenos de turbulencia observados en el interior de los fluidos. Un flujo puede ser por ejemplo: no viscoso permanente, incompresible; viscoso laminar. ECUACIÓN DE CONTINUIDAD: V1 A1 O conservación de masa es una herramienta muy útil para el análisis de fluidos que circulan a través de tubos o A2 ductos con diámetro variable. En estos V2 casos, la velocidad v del flujo cambia debido a que el área A transversal varía de una sección del ducto a otra. Si se considera un fluido con un flujo estable a través de un volumen fijo como un tanque con una entrada y una salida, la razón con la cual el fluido entra en el volumen debe ser igual a la razón con la que el fluido sale del volumen para que se cumpla el principio fundamental de conservación de masa. A1V1 = A2V2 V2 A1 V V1 89 1 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. A2 FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN El producto AV es constante. Esto significa que para un caudal determinado, la rapidez con que se desplaza el líquido es mayor en las secciones más pequeñas. Sección y velocidad son inversamente proporcionales. De acuerdo con la ecuación de continuidad para flujo compresible Qentrante = Qsaliente De un modo similar se puede establecer que la masa que pasa por unidad de tiempo M debe permanecer constante. Esto se conoce como caudal másico ( Qmásico ) t Se puede demostrar que el caudal másico también es igual al producto entre la densidad, la rapidez y el área de la sección, es decir, A v Como el caudal másico es el mismo en la sección 1 y 2, entonces se tiene que: 1 A1 v1 = 2 A2 v2 Esta es la ecuación de continuidad para un flujo permanente . FASE EXPRESIVA: ¡Hora 90 Escribir-Ejercitar! Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. S// 2-. En los humanos, la sangra fluye desde el corazón hacia la aorta, desde donde pasa hacia las grandes arterias. Éstas se ramifican en arterias pequeñas (arteriolas), que a su vez se ramifican en miríadas de delgados capilares. El radio de la aorta es aproximadamente 1.2 cm, y la sangra que pasa a través de ella tiene una rapidez cercana a 40cm/s. Un capilar típico tiene un radio aproximado de 4 x 10 -4cm, y la sangre fluye a través de él con una rapidez aproximada de 5 x 10 -4m/s. Calculo el número de capilares que hay en el cuerpo. Ojo: Se supone que la densidad de la sangre no varía significativamente de la Orta a los capilares. Mediante la ecuación de continuidad, el caudal volumétrico en la aorta debe ser igual al caudal volumétrico a través de todos los capilares. El área total de todos los capilares está dada por el área de un capilar multiplicado por número total de N capilares. S// 3-Busco una fuente bibliográfica que me plantee cinco situaciones donde pueda aplicar la ecuación de continuidad. Los resuelvo en mi cuaderno. 4- Resuelvo el siguiente mentefacto proposicional: La hidrostática, que es una rama de la hidromecánica, estudia los fluidos en reposo. 91 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 22. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. AERODINÁMICA EN LOS AUTOMÓVILES: En el mundo de las carreras, la eficacia aerodinámica fue, durante décadas, concebida sólo como un método para poder ir más rápido en las rectas, pero en realidad supone unas enormes mejorías tanto en el paso por las curvas como en el frenado. El reconocimiento y la explotación de este hecho han significado, durante los últimos 30 años, el desarrollo tecnológico más importante. La importancia de la aerodinámica ha sido reconocida a través de gran parte de la historia de las competencias de autos de carrera. Desde los comienzos de la carrera Indianápolis 500 (Indy 500), los carros ya eran construidos con los cuerpos aerodinámicos. Sin embargo, la tecnología del motor, la suspensión, y los neumáticos era más importante en aquella época. La aerodinámica del automóvil no fue estudiada detenidamente sino hasta principios de la década de 1960. La reducción de la resistencia del aire sigue siendo importante, pero un nuevo concepto (idea) ha tomado prioridad: la producción de una fuerza aerodinámica dirigida hacia abajo (sustentación negativa), que es considerada más importante que la reducción de la resistencia. Desde el principio de las competencias de autos de carreras, los carros se han vuelto más y más rápidos. A principios de la década de 1960, la velocidad ya había alcanzado un nivel peligroso. Para disminuir la velocidad y aumentar la seguridad, se decretaron algunas reglas para limitar la potencia del motor y talla de los neumáticos. Puesto que la resistencia del aire producida por el vehículo y el neumático ya había sido reducida, los diseñadores necesitaban encontrar alguna otra cosa que les diera a sus coches una ventaja sobre los demás. Ahora, la mayoría de los automóviles producían sustentación. Conforme la velocidad aumenta, la fuerza de sustentación aumenta y el auto se vuelve inestable. Para contrarrestar el problema de la sustentación, los autos de carreras modernos están diseñados para producir sustentación negativa. Esto significa que al auto se le agregan algunos dispositivos que causan que el auto presione contra el suelo y se mantenga más cerca de él. Estos dispositivos neutralizan la sustentación producida por el vehículo o crean de hecho sustentación negativa (fuerza que apunta hacia abajo). Hasta el día de hoy se siguen desarrollando estudios sobre la aerodinámica y como sacar el mayor provecho de la misma. Contesto en el cuaderno: -¿En qué consiste el problema de la sustentación producida por este tipo de autos? 92 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. -¿explico la importancia de conocer la aerodinámica en competencias de autos? PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda y resuelva algunos casos físicos los cuales se apliquen la ecuación de Bernoulli. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en el planteamiento y solución de problemas relacionados con fluidos. ECUACIÓN DE BERNOULLI La ecuación de Bernoulli es una ecuación fundamental de la dinámica de los fluidos ideales y es una forma de la conservación de la energía mecánica aplicada a la circulación de un líquido ideal en estado estacionario o permanente; fue deducida por Daniel Bernoulli en 1738. Su uso en el estudio de la circulación sanguínea es de bastante importancia. De acuerdo al teorema del trabajo y la energía, se sabe que el trabajo neto realizado sobre el sistema es equivalente a la variación de la energía cinética. FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN Para el análisis que se hace se tiene que, como el flujo no es viscoso, las únicas fuerzas que realizan trabajo sobre el sistema son el peso y las fuerzas debida a la presión que ejerce el fluido que rodea al sistema. Llamemos WP el trabajo neto realizado por las fuerzas de presión, entonces se tiene WP WPESO K que: Como el peso es una fuerza conservativa, WPESO U luego WP U K WPresión K U Donde K corresponde a la variación de la energía cinética y U corresponde a l variación de la energía potencial. El término de la izquierda en la ecuación (I) corresponde al trabajo total de la presión, es decir: p1 A1 P1A1 L1 – p2 A2L2 = (p1 – p2 ) M p2A2 (A) Esto es así ya que: 93 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. A1 X1 = A2x2 = VOLUMEN = M ; el fluido es incompresible para un intervalo de tiempo, el volumen que pasa la sección 1 es la misma que en la sección 2. El término de la derecha en la ecuación (I) se puede expresar como K U 1 2 m v22 m g y 2 ( 21 m v12 m g y1 ) (B) De las expresiones de A y B se tiene que: (p1 p2 ) m 1 2 mv22 mgy2 ( 21 mv12 mgy1) Y finalmente, ordenando se obtiene la siguiente ecuación: p1 1 2 v12 gy1 p2 1 2 v22 gy2 ECUACION DE BERNOULLI Esta es la Ecuación de Bernoulli para un flujo permanente, no viscoso, incompresible entre dos puntos cualesquiera ubicados sobre una misma línea de corriente. Como los subíndices 1 y 2 se refieren a dos puntos cualesquiera en el tubo, puede escribirse que: En la ecuación de Bernoulli, cada término tiene dimensión de presión El término p corresponde a lo que se llama presión estática. El término 1/2v2 es lo se llama presión dinámica. El termino gh corresponde a la presión debida a la columna de líquido Esta ecuación se aplica a muchas situaciones en medicina, como son la medida de la presión arterial, la aplicación de presión de aire en los pulmones para respiración artificial, el drenado de líquidos humanos a través de sondas, etcétera. Ejemplo: El agua circula por toda una casa en un sistema de calefacción de agua caliente. Si el agua se bombea con una rapidez de 0.50m/s a través de una tubería de 4.0 cm de diámetro en el sótano, bajo una presión de 3.0 atm. ¿Cuál será la rapidez de flujo y la presión en una tubería de 2.6 cm de diámetro en el segundo piso de 5.0 m arriba? Se supone que la tubería no se divide en ramificaciones. S// Se utiliza la ecuación de continuidad con densidad constante para determinar la rapidez de flujo en el segundo piso, y luego la ecuación de Bernoulli para encontrar la presión. Se toma V2 en la ecuación de continuidad como la rapidez de flujo en el segundo piso, y V1 como la rapidez del flujo en el sótano. Al notar que las áreas son proporcionales a los radios al cuadrado (𝐴 = 𝜋𝑟 2 ), se obtiene V2 = 𝑣1𝐴 1 𝐴2 = 𝑣1𝜋 𝑟 2 𝜋𝑟 2 (0.020𝑚 )2 = (0.50m/s) (0.013𝑚 )2 = 1.2 m/s Para encontrar la presión en el Segundo piso, se emplea la ecuación de Bernoulli: 94 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 1 P2 = P1 + p g (y1-y2) + p (𝑣12 - 𝑣22 ) 2 1 P2 = (3.0 x 10 N/m ) + (1.0 x 10 kg/m ) (9.8m/s ) (- 5.0m) + (1.0 x 10 kg/m ) (0.50m/s)2 − (1.2m/s)2 5 2 3 3 2 3 3 2 P2= (3.0 x 105 N/m2) – (4.9 x 104N/m2) – (6.0 x 102N/m2) P2= 2.5 x 105 N/m2 = 2.5 atm Nota El término velocidad contribuye muy poco en este caso. FASE EXPRESIVA: Ejercitación. ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1-Consulto y explico ante mis compañeros los siguientes fenómenos (en el cuaderno). a) Las alas de los aviones y la sustentación dinámica. b) Los botes de vela. c) La curva de beisbol. c) La falta de sangre al cerebro (Isquemia). c) Circulación de aire subterráneo para animales que excavan madrigueras. d) El humo que sume por una chimenea. 2-Busco una fuente bibliográfica que me plantee cinco situaciones donde pueda aplicar el teorema de Bernoulli. 3-Investigo y escribo una aplicación de la ecuación de Bernoulli que se puedan observar en la medición de fluidos: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 4-El tubo transversal de la figura tiene un área transversal de 40 cm 2, en la parte más ancha y de 10 cm2 en la parte más angosta. Fluye agua en el tubo cuya descarga es de 6X10 -3 m3. Calcular: a) la rapidez en las porciones ancha y angosta b) la diferencia de presión entre esas dos porciones Recuerde que: V=Q/A……………V: velocidad; Q: carga; A: área S// 95 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 23. TIEMPO PREVISTO: La semana ___ al __ de 201__ (cuatro horas semanales). INDICADORES DE DESEMPEÑO: - Que interpretamos, indaguemos y desarrollemos experimentos referentes a los fluidos, desde el enfoque físico. algunos PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo realice algunos experimentos referentes a los fluidos, desde el enfoque físico. 96 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. EXPERIMENTO #1: INSUMO: CÓMO SIMULAR LA INGRAVIDEZ EN LÍQUIDOS En el espacio, los líquidos tienen una forma esférica, ya que la atracción de la Tierra o de otro astro es despreciable. Pero también podemos observar este fenómeno en la Tierra, utilizando para ello tres líquidos de diferentes densidades. MATERIALES: - Alcohol - Agua - Aceite - Jeringuilla (con aguja es mejor) - Recipiente (preferible esférico) La cantidad de cada uno de los líquidos depende del tamaño del recipiente. PASOS A SEGUIR PARA LLEVAR A CABO LA PRÁCTICA: En un recipiente, verter agua y alcohol a partes iguales en una cantidad tal que permita observar el desplazamiento de la gota hasta su posición de equilibrio. Una vez llena la jeringuilla con aceite, situar la boquilla en el fondo del recipiente e inyectar el aceite lentamente (de ahí que sea bueno utilizar aguja) para conseguir gotas de aceite lo más grande posible. Cuantas más pequeñas son las gotas más esfericidad se consigue en el equilibrio. Explica detalladamente lo que ocurre al realizar el experimento y explica el por qué: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 97 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ EXPERIMENTO #2: INSUMO: CÓMO SE FORMAN LAS NUBES Una nube está compuesta por millones de gotas de agua o cristales de hielo, cuando la temperatura es muy baja, suspendidas en el aire. Las nubes se forman cuando el aire caliente y húmedo presente en la atmósfera asciende. Al ir subiendo se va enfriando por lo que el vapor de agua se va condensando sobre pequeñas partículas, como el polvo en suspensión, formándose así las pequeñas gotas de agua. MATERIALES: -Botella de plástico transparente de 2 litros (no olvides su tapón). -Un poco de agua caliente. -Cerillas. PASOS A SEGUIR PARA LLEVAR A CABO LA PRÁCTICA: -Vierte agua caliente dentro de la botella (así se consigue una humedad del 100% en el interior). -Agita la botella (con el tapón puesto) pasa así humedecer sus paredes. -Enciende una cerilla e introdúcela cuidadosamente en la botella -Apaga la cerilla inmediatamente después. De esta forma conseguimos que el humo se quede dentro de la botella. -Seguidamente cierra bien la botella con el tapón. -Aprieta con fuerza, puedes usar las dos manos, la botella. 98 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. -Retira la fuerza y observa… como se produce una nube de humo. Explica detalladamente lo que ocurre al realizar el experimento y explica el por qué: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 99 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 24. TIEMPO PREVISTO: La semana ___ al __ de 201__ (cuatro horas semanales). HABILIDAD: RESOLVER PROBLEMAS APLICADOS A LAS CIENCIAS NATURALES. . En los materiales sólidos las ondas pueden ser longitudinales o trasversales. Un terremoto produce tantas ondas longitudinales como trasversales que viajan a través de la tierra. Los geólogos, estudiando tales ondas mediante sismógrafos, encontraron que las ondas longitudinales pueden propagarse a través de mantos terráqueos, mientras que las trasversales no lo hacen. A partir de esta evidencia concluyeron que el núcleo terrestre debe ser líquido y por el valor de la densidad dedujeron que se debe tratar de hierro fundido. Cuando una onda pasa a través de un medio, las partículas se mueven pero no continúan sobre la onda. Por ejemplo, cuando una onda se propaga en un resorte, cada vuelta conserva la ubicación que tenía antes de que arribara la onda. Aún cuando olas enormes pueden romper en la playa como resultado de una tormenta distante, el agua de las olas permanece cercana a la playa. De acuerdo con el texto se puede inferir que: 1. Las ondas longitudinales y trasversales se puede encontrar en materiales: a) Líquidos. 100 b) Sólidos. c) Gaseosos. d) Con ondas. 2. Cuando una onda pasa a través de un medio: a) Las partículas se mueven pero no continúan sobre la onda. b) Las partículas se mueven y continúan sobre la onda. c) Las partículas no se mueven y continúan sobre la onda. d) Las partículas no se mueven y no continúan sobre la onda. Ecolocalización. Es una forma de percepción sensorial utilizada por algunos animales como los murciélagos, las ballenas y las marsopas. El animal emite un pulso sonoro (una onda longitudinal) que choca contra los objetos y cuyo reflejo es detectado por el animal. Las ondas ecolocalización emitidas por las ballenas tienen frecuencias cercanas a los 200.000 Hz. 3. La longitud de onda de la onda de ecolocalización de la ballena es: a) 5mm. b) 6mm. c) 7mm. d) 8mm. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 4. Si un obstáculo está a 100 m de la ballena, ¿Cuánto tiempo después de que ésta emite una onda, podrá detectar su reflejo? a) 0.15 segundos. b) 0.14 segundos. c) 0.13 segundos. d) 0.12 segundos. La hidrostática es la parte de la física, donde se estudian los fluidos (líquidos y gases) en reposo. La presión es el cociente entre la magnitud de la fuerza normal y el área sobre la cual se ejerce la fuerza P = F/A; P = N/m2 = Pascal (Pa) Un pulso se propaga por una cuerda como lo muestra la figura. 7. En el punto O la cuerda se uno a otra cuerda de mayor densidad. La figura que ilustra los pulsos reflejados y refractados luego que el pulso incidente llega a O es: a) 5. Una mujer de 52 Kg de peso, se apoya sobre un tacón de área 5 cm2. ¿Cuál es la presión ejercida sobre el piso? a) 10,4 x 102 Pa b) 10,4 x 103 Pa c) 10,4 x 104 Pa d) 10,4 x 105 Pa Presión hidrostática es la fuerza normal, que ejercen los fluidos sobre las paredes del recipiente que lo contienen o sobre un objeto sumergido sobre el área de este. Esta presión varía con la profundidad. b) c) d) P = P0 + ρgh; donde P0 = 1 atm = 1,01x 105 Pa. 6. ¿Cuál es la presión sobre un buzo sumergido a 10 m dentro de un lago? a) b) c) d) 105 N/m2 104 N/m2 103 N/m2 102 N/m2 101 8. Para trasportar su energía, las ondas mecánicas necesitan un medio material, como el agua, el aire, el resorte o la cuerda. Por lo anterior, un ejemplo de onda mecánica es: a) Ondas de sonido. b) Rayos X. c) Ondas de luz. d) Ondas de radio. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 9. ¿Cuál es el nuevo peso (peso aparente) de una persona de 55 Kg, cuyo volumen sumergido en el agua es de 0,02 m3? W aparente = W real - fem A. B. C. D. 350 N 250 N 450 N 650 N Responda las preguntas 10 y 11 teniendo en cuenta la siguiente información. 10. Suponga que sostiene un acuerda que tiene fijo su otro extremo, como lo muestra la figura anterior. Súbitamente se agita la cuerda, se produce un pulso ondulatorio que viaja a lo largo de la cuerda, de lo cual se puede inferir que un pulso es: A. B. C. D. Un reposo. Una perturbación. Un intervalo. Una constante. 11. SI la cuerda se mueve de un lado a otro de manera periódica, como se muestra en la figura, lo que se tiene en esta oportunidad es: A. B. C. D. Onda superficial. Onda viajera. Onda electromagnética. Un intervalo. El principio de Pascal dice: Si la presión sobre cualquier superficie de un fluido en reposo se 102 aumenta, la presión en cualquier punto del fluido se incrementará en la misma cantidad. f/a = F/A 12. Un gato hidráulico, debe levantar carros que pesan hasta 300 Kg, son un área de 4 m2, ¿Cuál es la fuerz que se debe aplicar sobre un área de 0,2 m2? a) 6x101 N b) 6x102 N c) 6x103 N d) 6x104 N 13. Ciertas ondas ultrasónicas que se propagan en el aire tienen una longitud de onda de 2,5x107m. No olvide que la velocidad aproximada del sonido está en 340m/seg. ¿Cuál es la frecuencia de esas ondas? a) 1,36X10-5 hz. b) 1,36x10-9 hz. c) 136x10-5 hz. d) 136x10-9 hz. El principio de Arquímedes dice: Un cuerpo parcial o totalmente sumergido en un líquido, experimenta un empuje o fuerza vertical ascendente igual al peso del volumen del fluido desalojado. Femp = ρVcg ; ρ es la densidad del líquido, Vc es el volumen del cuerpo sumergido. 14. Un cuerpo de 5 Kg flota en el agua totalmente sumergido, ¿Cuál es su volumen? A. 5x10-1 m3 B. 5x10-2 m3 C. 5x10-3 m3 D. 5x10-4 m3 15. La frecuencia del sonido emitido por una cuerda, depende de: Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. A. B. C. D. La longitud. La tensión. La masa por unidad de longitud. La amplitud. 16. De la siguiente figura deducimos que la forma de la onda se repite en distancias regulares. Las crestas y los valles son los puntos del movimiento ondulatorio, si la longitud es la distancia más corta entre puntos; el periodo es: C. La frecuencia y los valles. D. Periodo y crestas. 18. Cuando se proyecta sobre una pantalla la sombra de un objeto iluminado con un foco extenso se obtiene: A. Penumbra. B. Sombra. C. Sombra y penumbra. D. Sombra son los bordes borrosos. 19. Los eclipses solares suceden cuando: La luna se interpone entre el sol y la Tierra. B. La Tierra está entre el sol y la luna. C. La luna está a un lado de la Tierra, donde la línea que une la tierra y la luna forman un ángulo de 90 grados con la que une el sol y la Tierra. D. La una se encuentra en la posición más cercana a la Tierra. A. A. El número de vibraciones completas por un segundo medidas en una posición fija. B. El tiempo necesario para que el mismo movimiento se repita. C. El producto de la frecuencia y la longitud. D. Una serie de pulsos a intervalos regulares. 17. De acuerdo con los datos mostrados en la gráfica, podemos afirmar que la velocidad de la onda es el producto de: En la pregunta 20, seleccione la opción que completa la cadena de razonamiento lógico de forma adecuada. 20. Las ondas mecánicas se trasmiten a través de medios físicos. El sonido se trasmite a través de un medio físico. Entonces___________________ _____ A. El sonido es una onda. B. El sonido es una onda mecánica. C. Las ondas son sonidos. D. Las ondas son medios físicos. A. La frecuencia y la longitud de onda. B. Crestas y longitud de onda. 103 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIÓCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS DISEÑO CURRICULAR COLEGIOS ARQUIDIOCESANOS GUÍA-TALLER Año lectivo: ___________ ÁREA: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL - FÍSICA GRADO: NOVENO PERÍODO: SEGUNDO 104 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PRESENTACIÓN Colegio: Grado: Noveno Estudiante: Tiempo previsto: (12 semanas aprox) 1 periodo Área: ciencia naturales-física. Horas: 36 h/periodo aprox PROPÓSITOS DEL PERIODO A NIVEL AFECTIVO Que nosotros manifestemos todo el interés por: * Plantear y resolver problemas físicos aplicando la termodinámica *Extraer pensamientos y modelar mentefactos conceptuales y proposicionales cromatizados, para que se aproximen al pensamiento científico integral. A NIVEL COGNITIVO *Que comprehendamos claramente el concepto de termodinámica * Que Conozcamos algunas aplicaciones de la termodinámica en contextos científicos A NIVEL EXPRESIVO Que tengamos la capacidad de: * Extraer adecuadamente pensamientos, y modelarlos en mentefactos conceptuales, y en mentefactos proposicionales cromatizados. *Interpretar, resolver y argumentar situaciones problemas relacionados con la termodinámica y sus aplicaciones Demostrando sus avances en el desarrollo del pensamiento científico. EVALUACIÓN: INDICADORES DE DESEMPEÑO 1. Desarrollo del pensamiento a través del uso adecuado de cromatizadores de la proposición y conceptos con sus respectivos mentefactos. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O: relievar e inferir en textos relacionados con la termodinámica 2. Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en flujogramas lineales y de decisión en el planteamiento y solución de problemas relacionados con la termodinámica 3. Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con la termodinámica 4. Realizo lectura comprehensiva del periodo. e interpreto textos relacionados con los ejes temáticos 5. Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre la termodinámica. 105 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ENSEÑANZAS: COMPETENCIAS Y HABILIDADES COMPETENCIAS Desarrollar el pensamiento a través del uso adecuado de la proposición modal con sus respectivas operaciones intelectuales y mentefacto. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O. HABILIDADES Observar Plantear y argumentar regularidades hipótesis y Seguir instrucciones Seguir instrucciones y utilizar flujogramas en el planteamiento y resolución de problemas aplicando el método científico. Inferir Construir macroproposiciones Interpretar y analizar datos, tablas y gráficos como resultado de la aplicación del método científico. Realizar lectura comprehensiva Comprehender e interpretar textos donde: - Explico las fuerzas entre objetos como interacciones debidas a la termodinámica -Utilizo modelos biológicos, físicos y químicos para explicar aplicaciones de la termodinámica Producir textos argumentales Interpretar textos argumentales Usar adecuadamente instrumentos de conocimiento; proposiciones, conceptos y precategorías Establecer relaciones Plantear y resolver problemas. EJES TEMÁTICOS -Concepto de termodinámica: Generalidades y aspectos previos - Leyes de la termodinámica -Teoría de las colisiones -Tono térmico -Calor y temperatura -Equilibrio térmico -Dilatación de los cuerpos DIDÁCTICAS: Didácticas proposicionales mixtas, conceptuales. Didáctica experimental. 106 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIÓCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIDIOCESANAS ÁREA DE CIENCIAS NATURALES. ENFOQUE FÍSICO PRUEBA DE DIAGNÓSTICA Propósito: Que yo plantee y resuelva problemas usando conceptos de termodinámica. 1- 2. 107 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 3- 4- 108 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 25. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. LOS TERMITEROS SON TÉRMICOS: Los termiteros son grandes ciudades con cámara real, zona de cultivos, sistema de aireación, refrigeración, zona de abastecimiento de materiales, personal especializado (defensa, construcción, agricultura, natalidad y guardería), etc. Existen diferentes tipos de termiteros según la especie de termita de la que se trate, pero aquí trataremos tan sólo dos tipos. En el primero de ellos encontramos termiteros de barro aplanados de hasta tres metros de altura. Las caras anchas se orientan en dirección este-oeste, mientras que las estrechas lo hacen en dirección norte-sur. Esta disposición no es caprichosa y responde a efectos térmicos, no magnéticos. Las termitas son sensibles al calor y un exceso del mismo las mataría, de este modo reciben los primeros rayos de sol al amanecer calentando el termitero por la cara este, mientras la cara oeste permanece fresca. Cuando el sol está en su cenit, el calor es máximo pero éste no afectará a las termitas, ya que los rayos inciden sobre la estrecha zona superior. El otro tipo de termitero es una estructura en forma de torre que puede llegar a alcanzar los ocho metros de altura. El sistema de refrigeración que emplean sería la envidia de cualquier ingeniero, pues a la vez que consiguen mantener constante la temperatura realizan una ventilación del aire viciado (difunden dióxido de carbono al exterior y oxígeno al interior). Debido a la gran cantidad de habitantes que hay en el termitero (hasta varios millones) se genera calor, el aire se podría estancar y recalentar hasta un máximo letal para las termitas. Pero estos fabulosos ingenieros han conseguido la solución: la colonia ocupará la parte central del nido y el aire caliente y cargado de dióxido de carbono ascenderá a través de las galerías; en la parte superior el aire se desplazará hacia los laterales y descenderá por canales próximos a la superficie hasta el sótano; gracias a la porosidad de las paredes se producirá la difusión del dióxido de carbono hacia el exterior y del oxígeno hacia el interior. Del sótano parten canales hasta el nivel freático, en donde las obreras recogen el barro para la fabricación del termitero. El techo de dicho sótano está formado por una placa que soporta la colonia y de la cual parten una serie de placas concéntricas que absorben la humedad de la colonia; en las placas se producirá una evaporación de la humedad absorbida lo cual enfriará el aire que llegó hasta el sótano, ascendiendo hasta la colonia cargado de oxígeno y a la temperatura adecuada. ¡Unas genios! -Escribe en tus propias palabras el funcionamiento de un termitero térmicamente: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 109 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda el concepto de básico de la termodinámica. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Desarrollo el pensamiento a través del uso adecuado de cromatizadores de la proposición conceptos con sus respectivos mentefactos. De igual manera potenciar los operadores del M.L.O en textos relacionados con fluidos. TERMODINAMICA FASE COGNITIVA: La termodinámica (del griego θερμo-, termo, que significa "calor" y δύναμις, dínamis, que significa "fuerza") es la rama de la física que describe los estados de equilibrio a nivel macroscópico. Constituye una teoría fenomenológica, a partir de razonamientos deductivos, que estudia sistemas reales, sin modelizar y sigue un método experimental. Los estados de equilibrio son estudiados y definidos por medio de magnitudes extensivas tales como la energía interna, la entropía, el volumen o la composición molar del sistema, o por medio de magnitudes no-extensivas derivadas de las anteriores como la temperatura, presión y el potencial químico; otras magnitudes tales como la imanación, la fuerza electromotriz y las asociadas con la mecánica de los medios continuos en general también pueden ser tratadas por medio de la Termodinámica. Claridad cognitiva del insumo: Cada una de las partes en la que se considera está dividida la física. Describe y relaciona las propiedades físicas de la materia de los sistemas macroscópicos, así como sus intercambios energéticos. RAMAS DE LA FÍSICA Movimiento a pequeñas velocidades. TERMODINÁMICA Según la fuente de energía del nivel trófico TERMODINÁMICA EN PRODUCTORES La caracterizan organismos capaces de captar y aprovechar la energía solar o lumínica para transformar sustancias pobres en energía química (inorgánicas) en sustancias ricas en energía. MECÁNICA CLÁSICA Teoría de la electricidad y el magnetismo. ELECTROMAGNETISMO TERMODINÁMICA EN CONSUMIDORES TERMODINÁMICA EN DETRITÍVOROS La caracterizan organismos heterótrofos que usan como fuente de materia y energía a los organismos productores. Obtienen su energía de los enlaces de carbono de sustancias orgánicas ricas en energía química. La caracterizan organismos que aprovechan la materia y la energía que aún contienen los restos de seres vivos, materia orgánica en materia inorgánica. Extrae dos proposiciones graficadas con el relacionante diferir y una proposición, que su gráfica presente especificadores, ejemplificadores, cromatizadores en los núcleos, el relacionante y de toda la proposición (en el cuaderno de física) 110 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. TERMORREGULACIÓN EN VEGETALES Los vegetales, al igual que otros muchos organismos como las bacterias, los hongos, los peces, los anfibios y los reptiles, son organismos poiquilotermos. Poiquilotermos significa que su temperatura corporal depende de la temperatura ambiental, de tal forma que sufren de fluctuaciones de su temperatura interna, dentro de márgenes permisibles para su supervivencia, en consonancia con las fluctuaciones del ambiente. No es correcto decir que los poiquilotermos no pueden regular su temperatura corporal ya que ellos recurren a diversos mecanismos biofísicos y bioquímicos que les protegen de cambios extremos de temperatura ambiental. Por supuesto, nos referimos a cambios extremos que no sobrepasan los límites de sobrevivencia del individuo. El metabolismo de todos los organismos se realiza dentro de márgenes ideales de temperatura. Muchas proteínas se desnaturalizan con el calor excesivo o se inhabilitan con la congelación. Por esta razón, cualquier organismo, ya sea homeotermo (organismos cuya temperatura corporal sufre mínimas fluctuaciones) o poiquilotermo (organismos cuya temperatura corporal depende de la temperatura ambiental) debe evitar cambios extremos de su temperatura interna. Cuando se habla de plantas, generalmente se piensa que son organismos inermes frente a las oscilaciones de la temperatura ambiental y que si el ambiente es cálido, la planta se calentaría, mientras que si la temperatura ambiental es fresca, la planta se enfriaría irremediablemente. No es así; los vegetales también poseen un sistema complejo de control de su temperatura interna. Este sistema está formado por diversos elementos; por ejemplo, la transpiración, la modificación del sistema vascular para facilitar la disipación del calor absorbido o el almacenamiento del calor absorbido, la regulación de la absorción de calor ambiental mediante mecanismos bioquímicos, etc. Ahora bien, al realizar una pequeña investigación para conocer la respuesta térmica de plantas de melón ante las variaciones de la temperatura ambiental, se obtuvieron unos resultados preliminares y se apreció que en primer lugar las fluctuaciones de temperatura de la planta se mantienen relativamente estables, en tanto que las fluctuaciones de la temperatura del aire varían ampliamente. Por ejemplo, a las 11:30 am y 12:30 pm se registra un aumento brusco y corto en la temperatura del vegetal, en tanto que el cambio de temperatura del aire varió relativamente dentro de los límites observados en horas anteriores. Se desconoce a qué se debió tal fluctuación, pero además se observa que a la 1:30 pm la fluctuación fue negativa y también muy prolongada. Una hipótesis es que en ese momento del día pleno mediodía- la luminosidad aumentó de tal forma que la fotosíntesis fue más intensa y por ello la planta liberó más calor. Al ocurrir dicho aumento de temperatura de la planta, los mecanismos del vegetal para protegerse de temperaturas excesivas se activaron para evitar el colapso del sistema. Sin embargo, el enfriamiento del sistema vegetal también ocurrió de forma brusca, aunque en las horas siguientes la termorregulación pudo estabilizarse a los parámetros observados durante las horas previas al calentamiento extremo. 111 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Este corto análisis nos permite concluir que las plantas poseen un sistema altamente sensible de termorregulación biológica. Hemos visto que la temperatura de las plantas varía según los cambios de la temperatura ambiental; sin embargo, las fluctuaciones de la temperatura del cuerpo de las plantas no son tan amplias como las fluctuaciones del ambiente. La temperatura de las macroestructuras del cuerpo de las angiospermas permanecen dentro de márgenes bien definidos; esto es válido especialmente para la temperatura de las flores, las cuales, por razones no bien conocidas hasta ahora, responden a extremos de temperatura ambiental más eficientemente que los tallos y las hojas. FASE EXPRESIVA: ¡Hora a Ejercitar! 1. Aplico radicar a las siguientes palabras y descubro el significado. TERMO: DINÁMICA: TERMODINÁMICA SIGNIFICADO: TERMO: REGULACIÓN TERMORREGULACIÓN SIGNIFICADO: RESPONDO EN EL CUADERNO: 2. Aplico contextualizar a las siguientes palabras: Poiquilotermos -Fluctuación -Homeotermo 3. De acuerdo al texto ¿cuál es el fenómeno físico analizado en los vegetales? 4. Según el experimento realizado se observó que al medio día el melón presenta un aumento brusco y corto de su temperatura, ¿qué explicación se da este hecho? 5. ¿Qué resultados se encontraron a partir del experimento en plantas de melón? 6. ¿Qué conclusiones se obtuvieron del anterior estudio en vegetales? 7-Completo el siguiente mentefacto proposicional: Según la fuente de energía del nivel trófico, la termodinámica en productores, que la caracterizan organismos capaces de captar y aprovechar la energía solar o lumínica para transformar sustancias pobres en energía química (inorgánicas) en sustancias ricas en energía química (orgánicas), y que a partir de ellas se alimentan los demás organismos, se diferencia de: -La termodinámica en consumidores: la caracterizan organismos heterótrofos que usan como fuente de materia y energía a los organismos productores, obteniendo la energía de los enlaces de carbono de las sustancias orgánicas ricas en energía química. -La termodinámica en detritívoros: la caracterizan organismos que aprovechan la materia y la energía que aún contienen los restos de seres vivos. 112 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 26. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. MAQUINA A VAPOR: Quien inventó la máquina de vapor que realmente revolucionó al mundo, fue el mecánico escocés James Watt. Quien mejoró notablemente, la máquina creada por Newcomen; en este diseño anterior, el agua se enfriaba en el mismo cilindro, por lo que su forma, no era del todo lo que se esperaba. El fue el que se considera el inventor de la primera máquina de vapor aunque realmente fue una máquina basada en la de Newcomen Es así, como la máquina de vapor de Watt, hace que el vapor se condense en un recipiente especial, el condensador. Este condensador era conectado a un tubo externo con forma cilíndrica, al cual se le tapaba ambos extremos. Usando este mecanismo, la máquina de Watt, lograba que el cilindro siempre se mantuviera caliente, con lo cual, el ahorro de la energía proporcionada por la leña o el carbón, era muy superior a lo logrado por la máquina de Newcomen. Con ello, se evitaba la pérdida de calor, lo cual hacía que la performance de la máquina de Newcomen, no fuera la deseada. Más bien, la presentaba como una máquina rudimentaria y artesanal. La primera máquina de vapor que inventó Watt, vio la luz en 1774. Watt estudió los usos y aprovechamientos que pudieran ser derivados del vapor, hasta ese momento poco aprovechados. Así, inventó un prototipo que lograba reducir en gran medida el aporte de combustible, aplicando la presión del vapor para mover el pistón de un cilindro. En 1781 desarrolló su segunda versión de la máquina de vapor, de doble efecto; agregándose la corredera de apertura y cierre de válvulas en 1782, y la mejora del mecanismo biela-manivela para convertir movimiento rectilíneo alternativo en rotatorio en 1783, con lo que la máquina adquirió niveles de practicidad y confiabilidad que la hicieron servir de base motriz para máquinas textiles (Richard Arkwright) y otros dispositivos mas avanzados. El especial significado que tiene este desarrollo, es que nunca el hombre había contado con una máquina que le suministrara energía en forma confiable, sin recurrir a su propia fuerza ni a la de los animales. El constante perfeccionamiento de estos motores, dio lugar a que en 1807 Robert Fulton y en 1814 George Stephenson presentaran los primeros barcos y locomotoras, iniciando la era de las máquinas a vapor móviles en barcos y ferrocarriles, dando lugar a los mayores emprendimientos comerciales del siglo XIX. Realizo en el cuaderno: - Una biografía sintética de James Watt - ¿Qué importancia trajo al mundo la creación de la maquina a vapor? -Indago sobre la revolución industria en este campo. 113 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda y aplique las leyes de la termodinámica y sus manifestaciones. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Produzco textos orales y escritos a partir de observaciones que me permiten plantear hipótesis y regularidades sobre termodinámica. LEYES DE LA TERMODINÁMICA I PARTE FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN La termodinámica puede definirse como la rama de la Física que estudia los procesos en los que se transfiere energía como calor y como trabajo. Se sabe que se efectúa trabajo cuando la energía se transfiere de un cuerpo a otro por medios mecánicos. El calor es una transferencia de energía de un cuerpo a un segundo cuerpo que está a menor temperatura, es decir, el calor es muy semejante al trabajo. La termodinámica tienes 4 leyes, las cuales son: CLARIDAD COGNITIVA DEL INSUMO Reglas que relacionan eventos que tienen una coocurrencia, y que han sido puestas de manifiesto siguiendo el método científico. LEYES CIENTÍFICAS Se refieren a reglas a las que están sometidos los cuerpos y fenómenos físicos de la naturaleza. LEYES FÍSICAS Hacen mención a reglas que rigen los cambios químicos y las transformaciones energéticas de la materia. LEYES TERMODINÁMICAS Hacen referencia a principios de fenómenos electromagnéticos. Rigen el comportamiento de la energía. LEYES QUÍMICAS LEYES ELECTROMAGNÉTICAS Según la generalización estadística Establece que la energía puede convertirse de una forma a otra, pero no puede crearse ni destruirse. PRIMERA LEY TERMODINÁMICA Indica la dirección en que se llevan a cabo las transformaciones energéticas. El flujo espontáneo de calor siempre es unidireccional, desde los cuerpos de temperatura más alta a aquellos de temperatura más baja. Entropía. 114 SEGUNDA LEY TERMODINÁMICA Afirma que es imposible alcanzar una temperatura igual al cero absoluto. TERCERA LEY TERMODINÁMICA Establece que si un sistema A está en equilibrio térmico con un sistema B, y este sistema B está en equilibrio térmico con otro sistema C, entonces los sistemas A y C están en equilibrio térmico. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Primera ley: La Primera ley de la termodinámica se refiere al concepto de energía interna, trabajo y calor. Nos dice que si sobre un sistema con una determinada energía interna, se realiza un trabajo mediante un proceso, la energía interna del sistema variará. A la diferencia de la energía interna del sistema y a la cantidad de trabajo le denominamos calor. El calor es la energía transferida al sistema por medios no mecánicos. Pensemos que nuestro sistema es un recipiente metálico con agua; podemos elevar la temperatura del agua por fricción con una cuchara o por calentamiento directo en un mechero; en el primer caso, estamos haciendo un trabajo sobre el sistema y en el segundo le transmitimos calor. Se define: “El calor absorbido por un sistema es igual al trabajo realizado por el sistema más el aumento de la energía interna” Q T U Q: calor T: trabajo que se puede representar como W Segunda ley: La primera ley nos dice que la energía se conserva. Sin embargo, podemos imaginar muchos procesos en que se conserve la energía, pero que realmente no ocurren en la naturaleza. Si se acerca un objeto caliente a uno frío, el calor pasa del caliente al frío y nunca al revés. Si pensamos que puede ser al revés, se seguiría conservando la energía y se cumpliría la primera ley. En la naturaleza hay procesos que suceden, pero cuyos procesos inversos no. Para explicar esta falta de reversibilidad se formuló la segunda ley de la termodinámica, que tiene dos enunciados equivalentes: Enunciado de Kelvin - Planck: Es imposible construir una máquina térmica que, operando en un ciclo, no produzca otro efecto que la absorción de energía desde un depósito y la realización de una cantidad igual de trabajo. Enunciado de Clausius: Es imposible construir una máquina cíclica cuyo único efecto sea la transferencia continua de energía de un objeto a otro de mayor temperatura sin la entrada de energía por trabajo. Tercera ley y ley cero: "Si dos objetos A y B están por separado en equilibrio térmico con un tercer objeto C, entonces los objetos A y B están en equilibrio térmico entre sí". Como consecuencia de esta ley se puede afirmar que dos objetos en equilibrio térmico entre sí están a la misma temperatura y que si tienen temperaturas diferentes, no se encuentran en equilibrio térmico entre sí. La tercera ley tiene varios enunciados equivalentes: "No se puede llegar al cero absoluto mediante una serie finita de procesos" Es el calor que entra desde el "mundo exterior" lo que impide que en los experimentos se alcancen temperaturas más bajas. El cero absoluto es la temperatura teórica más 115 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. baja posible y se caracteriza por la total ausencia de calor. Es la temperatura a la cual cesa el movimiento de las partículas. El cero absoluto (0 K) corresponde aproximadamente a la temperatura de - 273,16ºC. Nunca se ha alcanzado tal temperatura y la termodinámica asegura que es inalcanzable. "La entropía de cualquier sustancia pura en equilibrio termodinámico tiende a cero a medida que la temperatura tiende a cero". FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1. Contesto verdadero o falso, según la lógica conceptual del concepto de leyes de la termodinámica. a. La ley cero de la termodinámica tiene por tercerea supraordinada leyes científicas y por segunda supraordinada leyes termodinámicas. b. El concepto con más infraordinadas es leyes físicas. c. El concepto con menos supraordinadas es leyes físicas. d. Una correcta exclusión de leyes físicas es leyes químicas y viceversa. e. Las leyes termodinámicas difieren de las leyes electromagnéticas pero comparten entre sí, que son leyes científicas. 2. La primer ley de la termodinámica se expresa matemáticamente como Q T U . Lo aplico en el siguiente caso, con ayuda del maestro (A). 3 dm3 de argón se comprimen lentamente hasta ocupar un volumen de 1dm3 a una presión de 101 000 Pa. Durante el proceso se liberan 20 J a través de calor. Calcular la variación de energía interna del gas, suponiéndolo ideal. 3. Busco en fuentes bibliográficas tres ejercicios donde aplique ecuación de la primera ley termodinámica. 4. Indago y escribo en la definición de: a) entropías b) cero absoluto c) equilibrio térmico d) ¿Hay transmisión de calor en el espacio? ¿Por qué? 5- ¿Qué ley de la termodinámica me define el funcionamiento de un refrigerador? ¿Por qué? 6- ¿Qué sentido práctico nos ha dejado la primera ley de la termodinámica? 7- Hago un dibujo que sustente la anterior respuesta. 116 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 27. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA MOTOR DE CUATRO TIEMPOS: Quién inventó el motor de combustión interna El primer inventor, hacia 1862, fue el francés Alphonse Beau de Rochas. El segundo, hacia 1875, fue el alemán doctor Nikolaus August Otto. Como ninguno de ellos sabía de la patente del otro hasta que se fabricaron motores en ambos países, hubo un pleito. De Rochas ganó cierta suma de dinero, pero Otto se quedó con la fama: el principio termodinámico del motor de cuatro tiempos se llama aún ciclo de Otto. Un motor de cuatro tiempos consta en motor que realiza sus funciones, tal como lo dice su nombre en cuatro tiempos distintos, también llamados carreras. Este tipo de funcionamiento es el predominante en los motores que operan con gasolina, llamados también motores Otto, y también en los que operan con diesel Primer tiempo Admisión: el pistón baja en el momento en que la válvula de admisión se abre, permitiendo el ingreso de la mezcla aire/gasolina. Segundo tiempo Compresión: el pistón sube comprimiendo la mezcla aire/gasolina, las dos válvulas están cerradas. Tercer tiempo Explosión: El pistón llega al máximo de su recorrido TDC, la bujía entrega la chispa, se produce la explosión y el pistón es impulsado hacia abajo. Cuarto tiempo Escape: El pistón sube nuevamente, pero esta vez la válvula de escape se encuentra abierta permitiendo la salida de los gases quemados. En el dibujo podemos observar un cigüeñal que corresponde a un motor de cuatro cilindros, El cigüeñal es la parte más importante del motor, La idea de este dibujo es mostrar, como, la fuerza alterna se convierte en fuerza rotativa. Si nos detenemos a pensar en el pedaleo de la bicicleta nos daremos cuenta que el sube y baja de las piernas en movimiento, se convierten en movimiento rotatorio de los piñones. Este principio es el mismo que se aplica en el motor. -¿Qué ventajas trae usar este tipo de motor por encima del motor de dos tiempos?: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 117 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. -Investigo y escribo en mi cuaderno el funcionamiento del motor de dos tiempos PROPÓSITO EXPRESIVO: Que termodinámica y sus aplicaciones yo comprehenda las leyes de la INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con termodinámica. LEYES DE LA TERMODINÁMICA II PARTE FASE COGNITIVA. PROCESOS TERMODINAMICOS Hay muchas maneras en que un gas puede ir de un estado (descrito por su presión (atm), volumen (l), temperatura (K) y número de moles) a otro. Cómo va un gas desde un estado a otro dependerá de la cantidad de calor intercambiado con el entorno y de la cantidad de trabajo realizado sobre o por el gas. Pero el cambio en la energía interna del gas, considerado ideal, sólo dependerá del cambio de temperatura. Es decir, el cambio de energía interna cuando el gas va de un estado a otro es independiente del proceso seguido (y esto en general, no sólo para gases ideales). Sin embargo, el calor y el trabajo dependen del proceso seguido. Para facilitar las cosas, se define un conjunto de procesos tipo con nombres dependientes del camino seguido en dichos procesos. En lo que sigue, aunque no es una limitación necesaria, consideraremos que el recipiente que contiene al gas está cerrado y, por tanto, el número de átomos que lo forman es constante. Proceso Isobárico: La presión del gas se mantiene constante. Esto implicará que a medida que cambia la temperatura, el volumen cambiará de forma que pueda mantenerse la presión. Un ejemplo lo tenemos cuando se mete un globo en una nevera y observamos que se encoge. Donde: 118 = Calor transferido. = Energía Interna. = Presión. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. = Volumen. Proceso Isocórico: El volumen del gas se mantiene constante. Cualquier cambio de temperatura vendrá acompañado de un cambio de presión. Por ejemplo, el vapor en una olla a presión va aumentando su presión a medida que se calienta. Proceso Isotérmico: La temperatura del gas se mantiene constante. Cuando el volumen aumenta la presión disminuye. Por ejemplo, un globo en una máquina de hacer vacío que aumenta su volumen a medida que se va haciendo el vacío. P•V = constante Proceso Adiabático: Todas las variables de estado cambian, presión, volumen y temperatura. Éste es un proceso en sistemas bien aislados en que no se intercambia calor con los alrededores. También puede ser un proceso rápido, como el que ocurre en el aire cuando pasa una onda de sonido. Ejemplos adicionales: la compresión del pistón en una bomba de inflado de ruedas de bicicleta, o la descompresión rápida del émbolo de una jeringa (previamente comprimido con el agujero de salida taponado). Ejemplos: 1. Sobre un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón se realiza un trabajo de 5000 J, mediante un proceso isotérmico. Determinar: a. La variación de la energía interna del gas. b. El calor absorbido o cedido por el gas. S// a. Puesto que el proceso es isotérmico, se tiene que ∆U = 0, luego la energía interna no varía. b. Como el trabajo se realiza sobre el gas W = -5000 J, por tanto, Q = ∆U + W Q =0 – 5000J Q = -5000J Puesto que el calor es negativo, concluimos que el gas cede calor y su valor es 5000J 2-De acuerdo con el grafico de presión contra volumen, si se lleva el sistema del estado i al estado f siguiendo la trayectoria i a f se encuentra que el sistema hace un trabajo de 20 cal y absorbe 50 cal de calor. Si la trayectoria seguida es por el camino ibf el calor absorbido es de solo 42 cal. a) ¿en cuánto varia la anergia del sistema? b) ¿Qué trabajo se realiza al seguir la trayectoria ibf? c) si la energía interna inicial es Ui=10 cal ¿Cuánto vale la energía interna final? d) si por un recorrido curvo if se realiza sobre el sistema un trabajo de -13 cal ¿Cuánto calor cede al ambiente el sistema en este proceso? S// a) de acuerdo a la primera ley de la termodinámica tenemos que: Q T U U Q T La energía interna varia en 30 cal U 50cal 20cal 30cal 119 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. U 30cal b) T Q U T 42cal 30cal 12cal c) d) U U f -Ui U f U Ui 12cal 10cal 22cal Q T U Q -13cal -10cal -23cal FASE EXPRESIVA: ¡Hora Ejercitar! 1- En mi cuaderno escribo dos ejemplos donde se apliquen cada proceso térmico (4 procesos) 2- Resuelvo: a. Sobre un gas contenido en un cilindro provisto de un pistón se realiza un trabajo de 320 J, mediante un proceso isotérmico. Determinar: - La variación de la energía interna del gas. - El calor absorbido o cedido por el gas. b. De acuerdo con el grafico de presión contra volumen, si se lleva el sistema del estado i al estado f siguiendo la trayectoria i a f se encuentra que el sistema hace un trabajo de 30 cal y absorbe 70 cal de calor. Si la trayectoria seguida es por el camino ibf el calor absorbido es de solo 42 cal. - ¿en cuánto varia la anergia del sistema? - ¿Qué trabajo se realiza al seguir la trayectoria ibf? - si la energía interna inicial es Ui=15 cal ¿Cuánto vale la energía interna final? - si por un recorrido curvo if se realiza sobre el sistema un trabajo de -15 cal ¿Cuánto calor cede al ambiente el sistema en este proceso? PARA REALIZAR EN CASA. 3. Cierta cantidad de gas ideal se somete a procesos que se representan como trayectorias en línea recta en un diagrama p – V; desde (1 atm, 1m3) hasta (4 atm, 1m3), luego hasta (4 atm, 3m3) y de nuevo hasta (1 atm, 1m3). ¿Cuál es el trabajo neto realizado? 4. ¿Qué cambio en la entropía se asocia con el cambio de fase reversible de 1Kg de hielo a agua a 0ºC? 5. Un motor de gasolina efectúa 2200J de trabajo mecánico y desecha 2000J de calor en cada ciclo. (a) Cuánto calor debe aportarse al motor en cada ciclo? (b) ¿Cuál es la eficiencia térmica del motor? 120 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 28. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. COMO EVITAR ACCIDENTES DE TRANSITO: Buena parte de los accidentes de tránsito podrían evitarse si los conductores adoptaran las consignas del manejo defensivo. El Manejo defensivo se basa en la premisa de que no importa qué hagan los otros autos, la seguridad propia depende de uno mismo. Este concepto, elaborado en los 50 en Estados Unidos, surgió porque la cantidad de muertes al volante era mayor que las provocadas por el cáncer. Surgió que se deben tener las siguientes precauciones: Distancia entre autos: En ruta o ciudad, mantener tres segundos de distancia con el vehículo de adelante. La forma práctica de hacerlo es contar mentalmente, cuando el coche en cuestión pasa por un punto de referencia, "mil ciento uno – mil ciento dos-mil ciento tres" hasta que pasamos por dicho punto. Uso de los espejos retrovisores: la forma adecuada de regular los espejos laterales es que en ambos se pueda ver los laterales del auto. Bien colocados son más confiables que el espejo interior, que posee muchos espacios ciegos. En ruta, lo ideal es mirarlos cada 10 segundos. Choque frontal: El peor choque es el frontal. Si un auto se dirige de frente a otro, es necesario que girar a la derecha, la dirección instintiva. Si el otro coche giró en el mismo sentido, hay que seguir alejándose en la misma dirección, ya que siempre es preferible un impacto lateral, un derrape o un vuelco. Siempre frenar: Ante cualquier anormalidad, la primera reacción debe ser bajar la velocidad. Si se conduce a 120 kilómetros por hora, el auto necesitará 120 metros para detenerse completamente. Nada de alcohol, drogas, ni sedantes: el consumo de este tipo de sustancias disminuye la capacidad de reacción, los reflejos y la visión. Una copa de vino o una botella de tres cuartos de cerveza tardan una hora en eliminarse del organismo. Si se consume sedantes por la noche, éstos tienen efecto residual, por lo que lo mejor será no conducir a la mañana. -¿Cuáles son los errores más comunes que se cometen en la ciudad, en cuanto a la conducción de automóviles y motocicletas? ¿Por qué el choque frontal es el peor?: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 121 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda el concepto de teoría de las colisiones desde el punto de vista físico. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con termodinámica. FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN TEORIA DE LAS COLISIONES La teoría de las colisiones propuesta por Max Trautz y William Lewis en 1916 y 1918, cualitativamente explica como reacciones químicas ocurren y porque las tasas de reacción difieren para diferentes reacciones. Según esta teoría, para que ocurra una reacción química es necesario que existan choques entre las moléculas de reactantes que den origen a productos. Estas colisiones deben cumplir las siguientes condiciones: 1- Las moléculas de reactantes deben poseer la energía suficiente para que pueda ocurrir el rompimiento de enlaces, un reordenamiento de los átomos y luego la formación de los productos. Si no se dispone de la energía suficiente, las moléculas rebotan sin formar los productos. 2- Los choques entre las moléculas deben efectuarse con la debida orientación en los reactantes. Si el choque entre las moléculas cumple con estas condiciones, se dice que las colisiones son efectivas y ocurre la reacción entre los reactantes; entonces se forman productos. Cabe destacar que no todas las colisiones entre reactantes son efectivas, por lo tanto no todas originan productos. Sin embargo, mientras más colisiones existan entre reactantes, mayor es la probabilidad de que sean efectivas. 122 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Desde el punto de vista fisico se puede estudiar los choques mecanicos: Un choque mecánico: es un caso particular de colisión, que se caracteriza por una repentina aceleración o desaceleración de los objetos causada por cualquier tipo de contacto directo como por ejemplo, por impacto, por una gota de agua, por una explosión, etc. De igual forma, una colisión se considera como una interacción entre objetos que tiene lugar en un intervalo corto de tiempo y en una región delimitada del espacio. Un principio fundamental en todas las colisiones, como consecuencia de que las fuerzas que se ejercen mutuamente son iguales y de sentido contrario, es que la cantidad de movimiento o momento lineal se conserva, es decir, el momento lineal justo antes de la colisión es igual al momento lineal un instante después. Se pueden considerar dos tipos de colisiones: las colisiones sin choque y las colisiones con choque que simplemente se denominan choques mecánicos o choques. En las colisiones sin choque los cuerpos pueden interaccionar incluso sin llegar a tocarse como por ejemplo una colisión entre dos partículas magnéticas, que debido a su campo magnético pueden no tener contacto alguno. Por último se puede decir que se diferencian dos tipos de choques en cuanto a la conservación de la energía cinética se refiere, estos son: -Choque elástico: En el que la energía cinética total de los dos objetos se conserva. -Choque inelástico: Es en el que la energía cinética inicial no es la misma que la final. FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir 1-Según el anterior texto pedagogizado construya el respectivo mentefacto conceptual: 123 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 2- Indago y escribo los cuatro puntos de la teoría de las colisiones en la fase gaseosa: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 3-Consulto y escribo en el cuaderno la biografía de Max Trautz y William Lewis. Corta. 4- Cito 2 ejemplos de aplicación de choques (un elastico y un inelastico) en la vida cotidiana decir a que tipo de choqe pertenecey dibujalos. 5- Con la ayuda de un texto de física , escribo: ¿qué es energía de activacion (eat)?¿como funciona? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 124 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 29. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. CENTRAL TÉRMICA: Una central térmica transforma la energía calorífica de un combustible (gas, carbón, fuel) en energía eléctrica. También se pueden considerar centrales térmica aquellas que funcionan con energía nuclear. Todas las centrales térmicas siguen un ciclo de producción de vapor destinado al accionamiento de las turbinas que mueven el rotor del alternador. Fases: 1. Se calienta el agua líquida que ha sido bombeada hasta un serpentín de calentamiento (sistema de tuberías). El calentamiento de agua se produce gracias a una caldera que obtiene energía de la combustión del combustible (carbón pulverizado, fuel o gas). 2. El agua líquida pasa a transformarse en vapor; este vapor es húmedo y poco energético. 3. Se sobrecalienta el vapor que se vuelve seco, hasta altas temperaturas y presiones. 4. El vapor sobrecalentado pasa por un sistema de conducción y se libera hasta una turbina, provocando su movimiento a gran velocidad, es decir, generamos energía mecánica. 5. La turbina está acoplada a un alternador solidariamente que, finalmente, produce la energía eléctrica. 6. En esta etapa final, el vapor se enfría, se condensa y regresa al estado líquido. La instalación donde se produce la condensación se llama condensador. El agua líquida forma parte de un circuito cerrado y volverá otra vez a la caldera, previo calentamiento. La corriente eléctrica se genera a unos 20.000 voltios de tensión y se pasa a los transformadores para elevar la tensión hasta unos 400.000 voltios, para su traslado hasta los puntos de consumo. Si la central térmica es de carbón, éste se almacena a medida que llega de la mina y se traslada por medio de una cinta transportadora hasta la tolva, de donde se pasa a un molino en el que se tritura hasta quedar convertido en polvo fino que arde más fácilmente. A continuación se mezcla con aire precalentado y se introduce en la caldera. Si el combustible empleado es fuel, éste se almacena en depósitos a medida que llega de la refinería y tras ser calentado, se conduce desde ellos a la caldera. Si la central térmica es de gas, éste pasa de los tanques de almacenamiento a la caldera, experimentando también un calentamiento previo. -Escribo en mi cuaderno: 1- con palabras propias, explico el funcionamiento de una central térmica. 2- ¿Qué ventajas existen en producir energía por una central térmica y no por una central hídrica (tradicional)? 125 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda y aplique maquina térmica. el concepto INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con termodinámica. FASE COGNITIVA: MAQUINAS TERMICAS Una maquina térmica se puede definir como un dispositivo que funciona en un ciclo termodinámico y que realiza cierta cantidad de trabajo neto positivo a través de la transferencia de calor desde un cuerpo a temperatura elevada y hacia un cuerpo a baja temperatura. Con frecuencia el termino maquina térmica se utiliza en un sentido más amplio que incluye a todos los dispositivos que producen trabajo. El mejor ejemplo de estas maquinas térmicas son los refrigeradores y bombas de calor que tienen como fin enfriar o calentar un entorno. Diagrama de una máquina térmica motora. Las máquinas compresible: térmicas son máquinas de fluido En los motores térmicos, la energía del fluido que atraviesa la máquina disminuye, obteniéndose energía mecánica. En el caso de generadores térmicos, el proceso es el inverso, de modo que el fluido incrementa su energía al atravesar la máquina. Se puede clasificar las máquinas térmicas tal como se recoge en el cuadro siguiente. Motoras Generadoras Máquinas térmicas Volumétricas Alternativas (Máquina de vapor) Rotativas (Motor rotativo de aire caliente) Turbo Turbinas máquinas Volumétricas Alternativas (Compresor de émbolo) Rotativas (Compresor rotativo) Turbo Turbocompresores máquinas CICLO TERMODINÁMICO: 126 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. El ciclo termodinámico realizado en una máquina térmica consta de varios procesos, en los que se intercambia energía térmica o energía mecánica o ambos a la vez. En el caso de una máquina térmica motora, los procesos en los que se intercambia energía térmica son: a) De absorción de calor de un foco externo a temperatura elevada denominado foco caliente. b) De cesión de calor a un foco externo a temperatura más baja denominado foco frío. En una máquina térmica generadora, el intercambio de energía térmica se realiza en el sentido opuesto al descrito anteriormente. MAQUINA DE CARNOT: La máquina de Carnot puede pensarse como un cilindro con un pistón y una biela que convierte el movimiento lineal del pistón en movimiento circular. El cilindro contiene una cierta cantidad de un gas ideal y la máquina funciona intercambiando calor entre dos fuentes de temperaturas constantes T1 < T2. Las transferencias de calor entre las fuentes y el gas del cilindro se hace isotérmicamante, es decir, manteniendo la temperatura constante lo cual hace que esa parte del proceso sea reversible. El ciclo se completa con una expansión y una compresión adiabáticas, es decir, sin intercambio de calor, que son también procesos reversibles.La máquina funciona así: 1) Expansión isotérmica. Se parte de una situación en que el gas ocupa el volumen mínimo Vmin y se encuentra a la temperatura T2 y la presión es alta. Entonces se acerca la fuente de calor de temperatura T2 al cilindro y se mantiene en contacto con ella mientras el gas se va expandiendo a consecuencia de la elevada presión del gas. El gas al expandirse tiende a enfriarse, pero absorbe calor de T2 y así mantiene su temperatura constante durante esta primera parte de la expansión. El volumen del gas aumenta produciendo un trabajo sobre el pistón que se transfiere al movimiento circular. La temperatura del gas permanece constante durante esta parte del ciclo, por tanto no cambia su energía interna y todo el calor absorbido de T2 se convierte en trabajo. dQ1 = dW1 >= 0 , dU1 = 0 2) Expansión adiabática. La expansión isotérmica termina en un punto preciso tal que el resto de la expansión, que se realiza adiabáticamente (es decir sin intercambio de calor, el cilindro se mantiene totalmente aislado de cualquier fuente de calor), permite que el gas se enfríe hasta alcanzar exactamente la temperatura T1 en el momento en que el pistón alcanza el punto máximo de su carrera y el gas su alcanza su volumen máximo Vmax. Durante esta etapa todo el trabajo realizado por el gas proviene de su energía interna. 127 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. dQ2 = 0 , dU2 = dW2 >= 0 3) Compresión isotérmica. Se pone la fuente de calor de temperatura T1 en contacto con el cilindro y el gas comienza a comprimirse pero no aumenta su temperatura porque va cediendo calor a la fuente fría T2. Durante esta parte del ciclo se hace trabajo sobre el gas, pero como la temperatura permanece constante, la energía interna del gas no cambia y por tanto ese trabajo es absorbido en forma de calor por la fuente T1. dQ3 = dW3 <= 0 , dU3 = 0 4) Compresión adiabática. La fuente T1 se retira en el momento adecuado para que durante el resto de la compresión el gas eleve su temperatura hasta alcanzar exactamente el valor T2 al mismo tiempo que el volumen del gas alcanza su valor mínimo Vmin. Durante esta etapa no hay intercambio de calor, por eso se llama compresión adiabática, y se realiza un trabajo sobre el gas todo el cual se convierte en energía interna del gas. dQ4 = 0 , dU4 = dW4 <= 0 FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1-Con el apoyo de mi maestr@ realizo un ejemplo de cada una de las expansiones y compresiones. 2- Escribo los 4 pasos de la máquina de Carnot: _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 3- Consulto de manera sintética la biografía de Nicolás Leonard Sadi Carnot y escribo en el cuaderno. 4- ¿cuáles son las fuentes de energía convencionales que se usan principalmente como insumos de calor para maquinas térmicas? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 5- Grafico el siguiente mentefacto: Todas las transformaciones de la energía obedecen a las Leyes de la Termodinámica como la Segunda Ley de la Termodinámica, que rige los esquemas de flujo de energía de los ecosistemas. 128 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 30. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. HABILIDAD: RESOLVER NATURALES: FÍSICA. PROBLEMAS APLICADOS A LAS CIENCIAS . A partir de la imagen se puede decir que: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 21. Los tipos de transferencia de calor que se observan en la gráfica son: a) b) c) d) Conducción y radiación. Convección y conducción. Solamente conducción. Convección, conducción y radiación. 22. La transferencia de calor por convección se da en: a) En el líquido que está en la olla. b) En el mango de la olla. 129 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. c) En la hoguera. d) Entre la olla y el fuego. 23. El calor que produce la hoguera se transfiere por: a) b) c) d) Traslación. Rotación. Conducción. Radiación. La energía interna es la suma de la energía cinética y potencial de las moléculas. Si un cuerpo transfiere calor a otro, disminuye su energía interna y en consecuencia la del otro aumenta. Si Q es el calor transferido al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema, el cambio en la energía interna del sistema se expresa como: ∆ ∪= 𝑄 − 𝑊 Primera ley de la termodinámica 24. En determinado proceso, se suministra a un sistema 2000 J de calor y al mismo tiempo se realiza un trabajo sobre el sistema de 100 J. La variación de energía interna es : a) b) c) d) 2100 J. 1900 J. -2100 J. -1900 J. 25. Un motor eléctrico realiza un trabajo de 750 J por segundo y está conectado a una batería. Al funcionar, el motor cede cada segundo 60 J en forma de calor al ambiente. El cambio de energía interna del sistema formado por la batería y el motor en cada segundo es : a) b) c) d) 810 J. - 690 J. 750 J. – 810 J. 26. ¿Qué cantidad de calor se requiere para elevar la temperatura de 288𝑲 a 35℃, de 200 mL de agua?: a) b) c) d) 288 cal. 4000 Kcal. 4000 cal. 323 cal. 130 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 27. Para aumentar la temperatura de 10℃ a 50℃, de cierta cantidad de agua se necesitaron 5000 cal. ¿A qué masa de agua se le suministró esa cantidad de calor?: a) 60 g. b) 125 g. c) 5000 g. d) 550 g. La primera Ley de la termodinámica dice que el cambio en la energía interna de un sistema equivale a la diferencia entre el calor transferido al sistema y el trabajo realizado por él. La segunda Ley de la termodinámica dice que el calor no fluye espontáneamente de los cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes. 28. De acuerdo con esto, la diferencia entre las dos leyes es que: a) La segunda ley establece que si un cuerpo cede calor, otro debe absorberlo y la primera no. b) La primera ley hace predicciones sobre la dirección en que da el flujo de calor y la segunda no. c) La primera ley estable que si un cuerpo cede calor, otro debe absorberlo, pero no hace ninguna precisión de la dirección en la cual se da el flujo de calor. d) La segunda ley habla de la forma en que se da la transferencia de calor entre dos cuerpos y la primera expresa el equilibrio térmico. 29. El calor y la temperatura difieren en: a) El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro mientras que la temperatura es el valor medio de la energía cinética de todas las partículas que componen un cuerpo. b) El calor representa la pérdida de energía de una superficie mientras que la temperatura representa la ganancia de esa energía. c) La temperatura representa la cantidad de energía que pierde una superficie y el calor la cantidad de energía que gana. d) La temperatura hace alusión a la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro mientras que el calor es el valor medio de la energía cinética de todas las partículas que componen un cuerpo. 131 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 10. Un vaso con agua líquida el cual está aislado del exterior se encuentra a una temperatura T, luego se introduce un cubo de hielo en él y tiempo más tarde la temperatura del sistema es la misma que la del hielo (el sistema sigue aislado del exterior). A partir de esta situación podemos concluir que A. es posible debido a que el sistema está aislado, por lo que no se pierde energía. B. es posible dado que el hielo absorbe el calor del agua enfriándola. C. es imposible debido a que el sistema está aislado del exterior. D. es imposible debido a que se necesita más de un cubo de hielo para lograrlo. Se tienen tres cuerpos iguales aislados del medio ambiente, a temperatura T 1, T2 y T3, tales que T1 > T2 > T3. Se ponen en contacto como lo muestra la figura 1 2 3 T1 T2 T3 11. Inicialmente es correcto afirmar que a. 1 cede calor a 2 y 2 cede calor a 3. b. 1 cede calor a 2 y 3 cede calor a 2. c. 2 cede calor a 1 y 3 cede calor a 2. d. 2 cede calor a 1 y 2 cede calor a 3. 12. Si la capacidad calorífica del 1 es C, el calor que éste cede al cuerpo 2 hasta alcanzar la temperatura de equilibrio T, vale a. C (T3 – T2) b. C (Tf – T2) c. C (T1 – Tf – T3) d. C (T1 – Tf) 132 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 31. TIEMPO PREVISTO: La semana ___ al __ de 201__ (cuatro horas semanales). FASE AFECTIVA. ACTIVIDADES DE MOTIVACIÓN: EL LUGAR MÁS CALIENTE Y EL MÁS FRÍO DE LA TIERRA El más caliente Sería muy difícil definir cuál es el lugar más caliente de la Tierra, obviando el centro de ésta claro. Sin embargo, existen varios candidatos como por ejemplo el Valle de la Muerte en Estados Unidos cuya temperatura promedio en verano no baja de los 38 grados, o la región de Dallol en Etiopía con una temperatura constante durante todo el año que promedia los 34º centígrados. De todas maneras, existe un lugar muy particular que durante un día se convirtió literalmente en un infierno alcanzando la mayor temperatura alguna vez registrada. El suceso ocurrió en el desierto de El Azizia, Libia, un 13 de Septiembre de 1922 y fue registrado por una estación meteorológica de avanzada mantenida por exploradores europeos en la región. Las cifras fueron tales que marcaron unos 57.8º C dentro de la estación y se calcula que unos 66º C al sol. Debido a que el lugar donde se realizó la medición se encontraba cerca de una extensa fuente de agua, la cual amortiguó el calor, se cree que la temperatura en el desierto pudo superar los 70 grados centígrados. El más frío A diferencia del lugar más caliente el lugar más frío del planeta tiene un campeón insuperable: La Antártica. No obstante, la menor temperatura registrada hasta el momento ocurrió en la estación Vostok un 31 de Julio de 1983 cuando los instrumentos de medición llegaron a marcar unos 89.6 grados bajo cero. El desgarrador frío fue tal que la tripulación de la estación irónicamente debió de encerrarse en los grandes refrigeradores industriales del complejo, ya que las paredes metálicas y aislantes térmicos de estos aminoraban el frío externo. Al salir uno de los investigadores encontró con asombro que varios bidones de fluido anticongelante estaban solidificados. -¿Cuál es la temperatura promedio de las siguientes ciudades: Bogotá, Cali, Medellín, Barranquilla? ¿Según el clima, en cual te gustaría vivir, por qué? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 133 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda el concepto de calor y temperatura desde el punto de vista físico y sus aplicaciones. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Desarrollo el pensamiento a través del uso adecuado de cromatizadores de la proposición conceptos y precategorías con sus respectivos mentefactos en textos relacionados con termodinámica. FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN CALOR Y TEMPERATURA Los fenómenos térmicos y caloríficos forman parte de los fenómenos físicos cotidianos. Es sabido que Calor y Temperatura son sustantivos que están incorporados al lenguaje popular y que raramente son utilizados de una forma científicamente correcta. Frecuentemente se identifican o bien se utilizan en definiciones circulares en las que uno hace referencia directa al otro como sinónimo. El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro como consecuencia de una diferencia de temperatura entre ambos. El tipo de energía que se pone en juego en los fenómenos caloríficos se denomina energía térmica. El carácter energético del calor lleva consigo la posibilidad de transformarlo en trabajo mecánico. Sin embargo, la naturaleza impone ciertas limitaciones a este tipo de conversión, lo cual hace que sólo una fracción del calor disponible sea aprovechable en forma de trabajo útil. De esta manera se sabe que los cuerpos pueden calentarse (aumentar su energía térmica) o enfriarse (perder energía térmica). La energía ganada o perdida en estos procesos es el calor. La energía térmica es la suma de las energías de todas las partículas que componen un cuerpo. La temperatura es el valor medio de la energía cinética de estas partículas y es aquella propiedad física que permite asegurar si dos o más sistemas están o no en equilibrio térmico (cuando dos cuerpos están a la misma temperatura), esto quiere decir que la temperatura es la magnitud física que mide cuan caliente o cuan frío se encuentra un objeto. La temperatura se mide en unidades llamadas grados, por medio de los termómetros, esto se refiere que para medir la temperatura utilizamos una de las magnitudes que sufre variaciones linealmente a medida que se altera la temperatura. Existen diferentes escalas de temperatura, En la escala Celsius: el valor 0 corresponde al de fusión del hielo y el valor 100 al de ebullición del agua. En la escala Kelvin el valor 134 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 0 es el cero absoluto de temperatura, la temperatura a la que las partículas de un cuerpo tienen la menor agitación posible. Temperatura Kelvin = Temperatura Celsius + 273 TRANSFERENCIA DE CALOR: En física, es el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. El calor se transfiere mediante convección, radiación o conducción. Aunque estos tres procesos pueden tener lugar simultáneamente, puede ocurrir que uno de los mecanismos predomine sobre los otros dos. Por ejemplo, el calor se transmite a través de la pared de una casa fundamentalmente por conducción, el agua de una cacerola situada sobre un quemador de gas se calienta en gran medida por convección, y la Tierra recibe calor del Sol casi exclusivamente por radiación. Conducción del Calor: En los sólidos, la única forma de transferencia de calor es la conducción. Si se calienta un extremo de una varilla metálica, de forma que aumente su temperatura, el calor se transmite hasta el extremo más frío por conducción. Se basa en el contacto directo de las partículas de un cuerpo sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. Convección del Calor: Si existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, es casi seguro que se producirá un movimiento del fluido. Este movimiento transfiere calor de una parte del fluido a otra por un proceso llamado convección. El movimiento del fluido puede ser natural o forzado. Si se calienta un líquido o un gas, su densidad (masa por unidad de volumen) suele disminuir. Si el líquido o gas se encuentra en el campo gravitatorio, el fluido más caliente y menos denso asciende, mientras que el fluido más frío y más denso desciende. Este tipo de movimiento, debido exclusivamente a la no uniformidad de la temperatura del fluido, se denomina convección natural. Radiación del Calor: La radiación presenta una diferencia fundamental respecto a la conducción y la convección: las sustancias que intercambian calor no tienen que estar en contacto, sino que pueden estar separadas por un vacío. La radiación es emitida por un cuerpo debido a su temperatura y es un término que se aplica genéricamente a toda clase de fenómenos relacionados con ondas electromagnéticas. Algunos fenómenos de la radiación pueden describirse mediante la teoría de ondas, pero la única explicación general satisfactoria de la radiación electromagnética es la teoría cuántica. FASE EXPRESIVA: 135 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ¡Hora Escribir-Ejercitar! Grafico los siguientes mentefactos: 1- El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro mediante procesos de aumento o pérdida de energía térmica, mientras que la temperatura es el valor medio de la energía cinética de todas las partículas que componen un cuerpo y es una propiedad física que permite asegurar si dos o más sistemas están o no en equilibrio térmico. 2-El calor específico y la capacidad calorífica son conceptos que se relacionan pero presentan diferencias entre si. La capacidad calorífica de un cuerpo es el cociente entre la cantidad de energía calorífica transferida a un cuerpo o sistema en un proceso cualquiera y el cambio de temperatura que experimenta, además es una propiedad extensiva, ya que su magnitud depende, no solo de la sustancia, sino también de la cantidad de materia del cuerpo o sistema. Por el contrario el calor específico es el cociente entre la capacidad calorífica y la masa del objeto, asimismo es una propiedad intensiva de las sustancias. 3- Según la física, la conducción, la convección y la radiación del calor, que son procesos de transferencia de calor, se distinguen entre si en que en la conducción del calor se basa en el contacto directo de las partículas de un cuerpo sin flujo neto de materia y que tiende a igualar la temperatura dentro de un cuerpo y entre diferentes cuerpos en contacto por medio de ondas. La convección del calor se caracteriza porque se produce por intermedio de un fluido que transporta el calor entre zonas con diferentes temperaturas, y la radiación del calor es emitida en forma de ondas electromagnéticas por un cuerpo debido a su temperatura. 136 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 32. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. FIEBRE La fiebre se produce cuando el “termostato” interno del cuerpo aumenta la temperatura corporal por encima de su nivel normal. Este termostato se encuentra en la parte del cerebro denominada hipotálamo. El hipotálamo sabe qué temperatura debe tener el cuerpo (en general, alrededor de los 98,6 grados Fahrenheit o 37 grados centígrados) y envía mensajes al cuerpo para mantenerla así. La temperatura corporal de la mayoría de las personas varía incluso un poco a lo largo del día: suele ser un poco más baja por la mañana y un poco más alta por la tarde, y puede fluctuar cuando los niños corretean, juegan y hacen ejercicio. No obstante, a veces, el hipotálamo “reajusta” el cuerpo a una temperatura más alta como respuesta a una infección, enfermedad o algún otro motivo. Entonces, ¿por qué el hipotálamo ordena al cuerpo que varíe la temperatura? Los investigadores creen que el aumento de la temperatura es la forma que tiene el cuerpo de combatir los gérmenes que causan infecciones y de hacer que el cuerpo sea un lugar menos agradable para ellos. La temperatura corporal normal puede cambiar durante cualquier día dado. Por lo general es más alta por la noche. Otros factores que pueden afectar la temperatura corporal son: -En la segunda parte del ciclo menstrual de una mujer, su temperatura se puede elevar en un grado o más. -La actividad física, emociones fuertes, comer, ropas gruesas, medicamentos, temperatura ambiente alta y humedad alta pueden incrementar la temperatura corporal. -escribe algunas infecciones que producen fiebre ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 137 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda el concepto de calor y temperatura desde el punto de vista físico y sus aplicaciones. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Analizo y argumento datos, tablas y gráficos como resultado de la interpretación de situaciones y establecimiento de condiciones relacionados con termodinámica: calor y temperatura. CALOR Y UNIDADES DE CALOR El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico. La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe recordar: la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. La unidad de medida del calor en el Sistema Internacional de Unidades es la misma que la de la energía y el trabajo: el Joule (unidad de medida). La caloría es otra unidad muy usada, la relación entre calorías y Joule es: 1 cal = 4,184 J FASE COGNITIVA: MODELACIÓN / SIMULACIÓN ¿CÓMO MEDIMOS LA TEMPERATURA? Se han inventado muchos instrumentos para medir la temperatura de forma precisa. Todo empezó con el establecimiento de una escala de temperaturas. Esta escala permite asignar un número a cada medida de la temperatura. A principios del siglo XVIII, Gabriel Fahrenheit (16861736) creó la escala Fahrenheit. Fahrenheit asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 32 grados y al punto de ebullición una de 212 grados. Su escala está anclada en estos dos puntos. Unos años más tarde, en 1743, Anders Celsius (17011744) inventó la escala Celsius. Usando los mismos puntos de anclaje Celsius asignó al punto de congelación del agua una temperatura de 0 grados y al de ebullición una de 100 grados. La escala Celsius se conoce como el Sistema Universal. Es el que se usa en la mayoría de los países y en todas las aplicaciones científicas. 138 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Hay un límite a la temperatura mínima que un objeto puede tener. La escala Kelvin está diseñada de forma que este límite es la temperatura 0. La relación entre las diferentes escalas de temperatura es la siguiente: o K = 273.15 + oC o C = (5/9)*(oF-32) o o o El agua hierve a: 212 100 373 Temperatura Ambiente: 72 23 296 El agua se congela a: 32 0 273 F C K o F = (9/5)*oC+32 A la temperatura del cero absoluto no hay movimiento y no hay calor. Es cuando todo el movimiento atómico y molecular se detiene y es la temperatura más baja posible. El cero absoluto tiene lugar a 0 grados Kelvin, -273.15 grados Celsius o -460 grados Fahrenheit. Todos los objetos tienen una temperatura más alta que el cero absoluto y por lo tanto emiten energía térmica o calor. Si queremos entender qué significa la temperatura a nivel molecular debemos recordar que la temperatura es la energía media de las moléculas Cero Absoluto: -460 -273 0 que componen una sustancia. Los átomos y las moléculas no siempre se mueven a la misma velocidad. Esto significa que hay un rango de energías entre ellas. En un gas, por ejemplo, las moléculas se mueven en direcciones aleatorias y a diferentes velocidades algunas se mueven rápido y otras más lentamente. A veces estas moléculas colisionan entre sí. Cuando esto tiene lugar las moléculas que se mueven más deprisa transfieren parte de su energía a las que se mueven más despacio, haciendo que las más rápidas se ralenticen y las más lentas se aceleren. Si ponemos más energía en el sistema, la velocidad media de las moléculas se incrementa, lo que hace que se produzca energía térmica o calor. En un objeto frío las moléculas se mueven lentamente y en uno caliente se mueven deprisa. Cuando dos objetos se ponen en contacto sus movimientos moleculares medios se igualan y cuando esto ocurre se dice que han alcanzado equilibrio térmico. Ejemplo: En algunas ciudades canadienses, durante la estación de invierno la temperatura alcanza a caer hasta los 45℉. Determine el valor de dicha temperatura en K. S// Para hacer la conversión, se debe hacer primero el paso de ℉ a ℃ por medio de la expresión: ℃= 𝟓 (℉ − 𝟑𝟐) 𝟗 ℃= 𝟓 (𝟒𝟓 − 𝟑𝟐) 𝟗 ℃= 𝟓 𝟗 𝟏𝟑 ℃ = 𝟕, 𝟐𝟐 Posteriormente se pasa de ℃ a K. 139 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 𝑲 = ℃ + 𝟐𝟕𝟑 𝑲 = 𝟕, 𝟐𝟐 + 𝟐𝟕𝟑 𝑲 = 𝟐𝟖𝟎, 𝟐𝟐 La temperatura es de 280,22ºK . FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1-¿En qué se diferencia el calor y la temperatura? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 2- ¿A quién se debe la escala de temperatura Joule? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ - Convertir las siguientes escalas de temperaturas: a) 37º C a Fahrenheit S// b) -15º a Fahrenheit S// c) 67 K a Fahrenheit S// d) 1000 ºF a Centígrados S// e) 57,65 ºF a Kelvin S// Ejercito en casa con ejercicios que el maestro(a) me propone en un taller adicional. 140 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 33. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. ¿CÓMO SE PRODUCE EL VIENTO? El viento se define como un flujo de aire a gran escala, es un movimiento del aire en la atmósfera. Todos conocemos lo que es el viento pero, ¿cómo se produce el viento? ¿Por qué hay zonas que son más ventosas que otras? Los vientos se originan como consecuencia de las diferencias de presión atmosféricas, estas diferencias se producen por las distintas temperaturas del aire. El aire frío tiende a desplazarse hacia abajo mientras que el aire caliente se desplaza hacia arriba. Estas zonas pueden abarcar cientos de miles de kilómetros cuadrados y son conocidas como áreas ciclónicas y anticiclónicas respectivamente. Entonces cuando una masa de aire se calienta se eleva el aire más frío pasa a ocupar su lugar. Esto provoca el movimiento de aire al que llamamos viento, que son los desplazamientos de masas de aire superficial en la zona de la atmósfera que se conoce como la troposfera. El viento es producido por causas naturales y existen algunos vientos que son bien conocidos y participan del ciclo natural que regula la atmósfera. Las principales causas de la circulación de aire atmosférico son el calentamiento de la superficie terrestre, originando centros de alta presión (anticiclones) y de baja presión (ciclones). Pero también se producen vientos de manera más global según la latitud, por ejemplo entre el ecuador y los polos hay mucha diferencia de temperaturas, y esto provoca un movimiento de aire muy grande que se caracteriza por producir vientos estacionales, monzones o tormentas que todos los años, más o menos para la misma fecha soplan sobre ciertos países. En zonas montañosas o con un relieve variado, las montañas y las brisas del valle influyen en los vientos. También influye la rotación del planeta que hace que el aire se mueva en un fenómeno llamado efecto de Coriolis. -¿Por qué en zonas costeras (playa por ejemplo) se produce tanto viento? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 141 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ______________________________________________________________________ PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda y realice problemas aplicados ______________________________________________________________________ al equilibrio térmico desde el punto de vista físico. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en flujogramas lineales y de decisión en el planteamiento y solución de problemas relacionados con termodinámica. TEMPERATURA DE EQUILIBRIO Se conoce que un cuerpo caliente tiende a aumentar la temperatura de los cuerpos que lo rodean, mientras que un cuerpo frío provoca una disminución de temperatura a su alrededor. En términos más rigurosos podemos afirmar que, cuando dos sustancias a diferentes temperaturas se encuentran próximas, se produce entre ellas un intercambio de energía que tiende a crear el equilibrio térmico, que se produce cuando ambas temperaturas se igualan. De acuerdo con el Principio de Conservación de la Energía el intercambio energético neto entre los dos sistemas y el entorno sería cero, y restringiéndonos al caso más sencillo, que es un caso ideal, podría expresarse la situación diciendo que el calor cedido por el sistema caliente al enfriarse es justamente el calor absorbido por el sistema frío al calentarse. En este caso ideal aún puede hacerse una simplificación más: que únicamente se consideren las sustancias calientes y frías y no los recipientes, que se considerarían recipientes adiabáticos ideales, cuyas paredes con el exterior serían perfectos aislantes térmicos; el caso real más parecido sería un termo o un saco de dormir con relleno de plumas. En conclusión: Es el estado en el que se igualan las temperaturas de dos cuerpos que inicialmente tenían diferentes temperaturas. Al igualarse las temperaturas se suspende el flujo de calor, y el sistema formados por esos cuerpos llega a su equilibrio térmico. Por ejemplo, si pone tienes un recipiente con agua caliente, y otro con agua fría, a través de sus paredes se establecerá un flujo de energía calorífica, pasado un tiempo, la temperatura del agua en ambos recipientes se igualará (por obra de las transferencias de calor, en este caso del agua más caliente a la más fría, también por contacto con el aire del medio ambiente y por evaporación), pero el equilibrio térmico lo alcanzarán cuando ambas masas de agua estén a la misma temperatura. La cantidad de calor (Q) que gana o pierde un cuerpo de masa (m) se encuentra con la fórmula Donde: Q es la cantidad de calor (que se gana o se pierde), expresada en calorías. m es la masa del cuerpo en estudio. Se expresa en gramos 142 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Ce es el calor específico del cuerpo. Su valor se encuentra en tablas conocidas. Se expresa en cal / gr º C Δt es la variación de temperatura = Tf − T0. Léase Temperatura final (Tf) menos Temperatura inicial (T0), y su fórmula es: FASE COGNITIVA: Ejemplos: 1-¿Cuál será la temperatura de una mezcla de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius y 50 gramos de agua a 40 grados Celsius? S// Datos: Capacidad calorífica específica del agua: 1 cal/grº C El agua que está a 20º C ganará temperatura El agua que está a 40º C perderá temperatura Sabemos que para conseguir el equilibrio térmico (igualar las temperaturas) la cantidad de calor ganada por un cuerpo debe ser igual a la cantidad de calor perdida por el otro. Entonces: Para los 50 gr de agua a 20º C tendremos Q1 (cantidad de calor ganada) Reemplazamos los valores y queda (Cantidad de calor ganada) Para los 50 gr de agua a 40º C tendremos Q2 (cantidad de calor perdida) (Cantidad de calor perdida) Como Q1 = Q2 (calor ganado = calor perdido) Entonces: La temperatura de equilibrio es 30 ºC Realizo: 2-¿Cuál será la temperatura final de una mezcla de 100 gramos de agua a 25 grados Celsius con 75 gramos de agua a 40 grados Celsius? Datos: 143 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. .FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1- ¿Cuál será la temperatura final de 50 gramos de agua a 20 grados Celsius cuando se sumergen en ella 110 gramos de clavos de acero a 40 grados Celsius? S// 2- En 300 gramos de agua a 180 grados centígrados se introducen 250 gramos de hierro a 200 grados centígrados, determinar la temperatura de equilibrio. S// 3-Ejercito en casa con ejercicios que el maestro(a) me propone en un taller adicional. 4- Grafico los siguientes mentefactos: La energía solar como la luz, el calor y la radiación ultravioleta, que llega a la Tierra en forma de ondas electromagnéticas sostiene decisivamente la vida en la Tierra. Todas las transformaciones de la energía obedecen a las Leyes de la Termodinámica como la Segunda Ley de la Termodinámica, que rige los esquemas de flujo de energía de los ecosistemas. 144 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 34. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. LA TORRE EIFFEL La Torre Eiffel es sin duda un gran foco de turismo, se puede apreciar toda su belleza tanto durante el día, como en la noche, los enamorados que quieren realizar una estadía en París, la capital del amor, no pueden dejar de visitar esta gran obra de arte. Algo de historia que nos podría interesar de este monumento es que el nombre que tomo cuando la construyeron fue el de “tour de 330 mètres” en español torre de 330 metros, el hombre que la diseño realmente es un genio en cuanto la originalidad y estética con la que la torre fue creada, se llama Gustave Eiffel. Pero leyendo datos irrelevantes e interesantes en Internet me encontré con esto: Durante el invierno, por el frío, la Torre Eiffel encoge 6 centímetros. Y me pregunté ¿será eso cierto? Aquí lo que encontré. El calor dilata los cuerpos, por lo cual la altura de una construcción de hierro (como es la torre eiffel) no puede ser la misma a diferentes temperaturas. Una varilla de hierro de 300 metros de longitud se alarga 3 milímetros cuando se calienta un grado. En igual proporción deberá aumentar la altura de la torre Eiffel cuando su temperatura asciende un grado centígrado. Cuando hace calor en París, el hierro de la torre se puede calentar hasta 40°C, y en invierno a 0°, e incluso a 10°C bajo 0. Digamos entonces que la temperatura de la torre sufre una variación de 40 o más grados. Esto quiere decir que la altura de la torre Eiffel puede variar en 12 centímetros (porque 3 milímetros multiplicado por 40, que es la variación de temperatura, es igual a 120 milímetros, o sea 12 centímetros). Así que la Torre Eiffel no siempre mide lo mismo, y claro se puede decir que cuando hace frio se encoge unos centímetros y en verano crece unos más. -¿Qué objetos que están en tu casa se encogen o expanden por la dilatación térmica? ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ 145 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo comprehenda para dar solución a problemas relacionados con la dilatación térmica. INDICADORES DE DESEMPEÑO: Sigo instrucciones y utilizo diferentes procedimientos en flujogramas lineales y de decisión en el planteamiento y solución de problemas relacionados con termodinámica: dilatación de los cuerpos. DILATACIÓN TÉRMICA Todos los cuerpos aumentan su volumen con los incrementos de temperatura. Este hecho explica la separación que se deja en los rieles de la carrilera, en la pavimentación en concreto de las calles o en los puentes. Si no se tomara esta precaución podría ocurrir un desastre cuando la estructura fuera sometida a una temperatura mayor de la que soporto en el momento de la construcción. Una de las excepciones a este fenómeno se presenta en el agua cuando su temperatura es inferior a 4ºc. Si se llena una botella con agua, se tapa herméticamente y luego se introduce en el congelador, se producirá una explosión del vidrio cuando el agua se haya congelado. La razón de este hecho es que el agua al disminuir su temperatura por debajo de 4ºC, se dilata. FASE COGNITIVA: 146 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. DILATACIÓN LINEAL: Ejemplos: 1. DILATACIÓN DE ÁREA: 147 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. FASE EXPRESIVA: ¡Hora Escribir-Ejercitar! 1- ¿Cuál es la longitud de un cable de cobre al disminuir a 14ºC, si con una temperatura de 42ºC mide 416 mt? S// 2- A una temperatura de de 23ºC una puerta de aluminio de 2m de largo por 0,9m de ancho ¿Cuál sera su área final al disminuir la temperatura a 12ºC? 3- Completo la siguiente tabla de algunos valores de coeficientes de dilatacion cubica de ciertos liquidos. LIQUIDO Alcohol etilico Glicerina Mercurio Petroleo 148 COEFICIENTE DE DILATACION CUBICA Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 35. TIEMPO PREVISTO: La semana N° ___ del ___al ___ de_____________ de 201__ (3h/s) FASE AFECTIVA. INDICADORES DE DESEMPEÑO: - Que interpretamos, investiguemos y desarrollemos experimentos referentes a la termodinámica´ algunos PROPÓSITO EXPRESIVO: Que yo realice algunos experimentos referentes a la termodinámica 149 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. EXPERIMENTO #1: INSUMO: CALOR ESPECÍFICO DE UN CIERTO MATERIAL. MATERIALES: Pinzas, soportes, calorímetro, rejilla, 2 termómetros, 2 vasos precipitados, mechero, bola de cristal, báscula. PASOS A SEGUIR PARA LLEVAR A CABO LA PRÁCTICA: Cogemos el vaso precipitado y lo llenamos de agua hasta conseguir más o menos 100 mg de agua (aproximadamente), que luego medido en la báscula dará exactamente 101.1 Mg. de agua. Echamos el agua en el calorímetro y medimos la temperatura. Obtenemos que el agua esté a 25ºC. M AGUA = 101,1mg T AGUA = 25ºC C AGUA = 1cal/gr·ºC Después hemos echado una bola de cristal de M =19,7gr en otro vaso de precipitado que posteriormente hemos llenado de agua hasta cubrir la bola, para después calentarlo “al baño maría”. M BOLA =19.7 gr / M BOLA + AGUA =120.8 T AGUA = 92ºC = T BOLA C =? En cuanto llega a aproximadamente 92ºC retiramos con cuidado para no quemarnos el vaso del mechero, le apagamos y acto seguido, sin esperar a que la temperatura de la bola descienda, atrapamos la bola con unas pinzas especiales e introducimos la bola dentro del calorímetro que previamente hemos abierto. Dejamos que repose y que la temperatura de la bola actúe sobre la del agua y segundos después observamos que la temperatura final a ascendido 2ºC, es decir, hasta 27ºC MEZCLA: AGUA + BOLA 150 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. Entonces con los datos obtenidos procedemos a realizar las resoluciones necesarias para averiguar cuál es el calor especifico de la bola de cristal. Resuelve: M AGUA · C AGUA · (T FINAL - T AGUA ) = -M BOLA · C BOLA · (T FINAL - T BOLA) 101.1· 1· (27-25) = -19.7 · C BOLA · (27-90) 202.2 = 1280.5· C BOLA C BOLA = 0.157 cal/ grºC ¿A qué conclusión podrías llegar?: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ EXPERIMENTO #2: INSUMO: CALOR LATENTE Y ESPECÍFICO Cuando aportamos calor a cualquier material, es decir, lo calentamos, éste lo acumula aumentando su temperatura, proporcionalmente a una constante propia de cada material que se denomina calor específico. Sin embargo, llega un momento en que la temperatura del material se mantiene y todo el calor aplicado, y por ende almacenado, es utilizado para el reordenamiento de las moléculas y/o átomos que constituyen el material, cambiando así de estado (sólido, líquido, gas, plasma). A esta cantidad de calor necesaria se le denomina calor latente. MATERIALES: - Un mechero - Una vela - Un par de globos de plástico - Agua 151 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. PASOS A SEGUIR PARA LLEVAR A CABO LA PRÁCTICA: - Llenar dos globos, uno con aire y otro con agua. - Encender la vela con el mechero. - Acercar ambos globos a la llama. Explica detalladamente lo que ocurre al realizar el experimento: ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ______________________________________________________________________ ________________________________________________________________ 152 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. GUÍA - TALLER Nº 36. TIEMPO PREVISTO: La semana de evaluación final. HABILIDAD: RESOLVER PROBLEMAS APLICADOS A LAS CIENCIAS NATURALES: FÍSICA, RELACIONADOS CON EL CONCEPTO DE TERMODINÁMICA. Responda las preguntas 1 a 5 de acuerdo al texto. Cuando quieres saber la temperatura de tu cuerpo para saber si tienes fiebre, colocas un termómetro en tu boca o debajo de tu brazo y esperas unos minutos. El termómetro te proporciona una medida de la temperatura de tu cuerpo. Cuando hay contacto entre los dos, puesto que tu cuerpo está a mayor temperatura que el termómetro éste recibe calor en la medida en que tu cuerpo se la cede hasta que los dos, tu cuerpo y el termómetro, quedan a la misma temperatura. Cuando dos cuerpos que se encuentran a temperaturas diferentes, T1 y T2, se ponen en contacto, el calor fluye desde el cuerpo con mayor temperatura hacia aquel que se encuentra a menor temperatura y este flujo de calor se mantiene hasta que las temperaturas de ambos cuerpos de igualan. Cuando se produce esta igualdad en las temperaturas, se dice que se produjo el equilibrio térmico. La temperatura, T, a la que tiene lugar el equilibrio térmico puede calcularse fácilmente teniendo en cuenta que el calor absorbido por el cuerpo que se calienta es exactamente igual, aunque de signo contrario al calor desprendido por el cuerpo que experimenta una disminución en su temperatura. Por tanto, podemos escribir que el calor absorbido, Qabs, y Qdes el desprendido, 153 se relacionan mediante la siguiente igualdad: Qabs = - Qdes El calor Q absorbido o desprendido por un cuerpo para que se produzca en él un aumento o disminución de temperatura depende de tres factores: de la masa el cuerpo, el calor específico y del cambio de temperatura. Estos factores se relacionan mediante la expresión: 𝑄 = 𝑚 ∙ 𝐶𝑒 ∙ ∆𝑇 De acuerdo con el texto se puede inferir que: 1. Cuando entre dos cuerpos se alcanza el equilibrio térmico, se dice que: e) Hubo transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura. f) Hubo transferencia de calor desde el cuerpo de menor temperatura al de mayor temperatura. g) No se da trasferencia de calor entre los cuerpos. h) El sistema físico no realiza trabajo. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 2. El caso en que se daría la transferencia de calor sería: a) b) c) d) De agua fría a un cubo de hielo. De agua dulce a agua de mar. De un cubo de hielo a agua fría. De la llama de una vela a la llama de un encendedor. 3. En el caso de la trasferencia de calor representada en la ecuación: e) La pérdida de calor de un cuerpo es menor que la ganancia del otro. f) La ganancia de calor de un cuerpo es directamente proporcional a la temperatura. g) La pérdida de calor generada en uno de los cuerpos es equivalente a la ganancia de calor generada en el otro. h) La ganancia de calor de un cuerpo es inversamente proporcional a la temperatura. d) El calor absorbido depende de la masa, el calor específico y la temperatura. 6. La transferencia de calor por convección se da en: e) f) g) h) En el líquido que está en la olla. En el mango de la olla. En la hoguera. Entre la olla y el fuego. 7. El calor que produce la hoguera se transfiere por: e) f) g) h) Traslación. Rotación. Conducción. Radiación. Responda las preguntas 8 y 9 con base en la información del gráfico. 4. El calo absorbido de un cuerpo depende de: a) b) c) d) La temperatura. La masa. La temperatura y la masa. La masa, el calor específico y la temperatura. 5. La relación que hay entre la masa de un cuerpo y el calor específico: a) La masa es directamente proporcional al calor específico. b) La masa es inversamente proporcional al calor específico. c) El calor específico es directamente proporcional a la masa. 154 De acuerdo con el gráfico se puede concluir que: 8. Entre I y A, y B y F: a) b) c) d) El volumen permanece constante. La presión permanece constante. La presión aumenta. El volumen disminuye. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 9. Entre B y F se representa un proceso: a) b) c) d) Isobárico. Isotérmico. Isocórico. Isotérmico e Isobárico. La energía interna es la suma de la energía cinética y potencial de las moléculas. Si un cuerpo transfiere calor a otro, disminuye su energía interna y en consecuencia la del otro aumenta. Si Q es el calor transferido al sistema y W es el trabajo realizado por el sistema, el cambio en la energía interna del sistema se expresa como: ∆ ∪= 𝑄 − 𝑊 Primera ley de la termodinámica 10.En determinado proceso, suministra a un sistema 2000 J calor y al mismo tiempo se realiza trabajo sobre el sistema de 100 J. variación de energía interna es : e) f) g) h) se de un La 2100 J. 1900 J. -2100 J. -1900 J. 11.Un motor eléctrico realiza un trabajo de 750 J por segundo y está conectado a una batería. Al funcionar, el motor cede cada segundo 60 J en forma de calor al ambiente. El cambio de energía interna del sistema formado por la batería y el motor en cada segundo es : e) f) g) h) 810 J. - 690 J. 750 J. – 810 J. 155 12. ¿Qué cantidad de calor se requiere para elevar la temperatura de 288𝑲 a 35℃, de 200 mL de agua?: e) f) g) h) 288 cal. 4000 Kcal. 4000 cal. 323 cal. 13. Para aumentar la temperatura de 10℃ a 50℃, de cierta cantidad de agua se necesitaron 5000 cal. ¿A qué masa de agua se le suministró esa cantidad de calor?: e) 60 g. f) 125 g. g) 5000 g. h) 550 g. Históricamente, se han diseñado diversas escalas para medir la temperatura, tres de las más comunes son, escala centígrada o Celsius, escala absoluta o Kelvin y escala Farenheit. Para hacer equivalencias entre las diferentes escalas se han establecido las siguientes expresiones: 𝑲 = ℃ + 𝟐𝟕𝟑 ℉= 𝟗 ℃ + 𝟑𝟐 𝟓 ℃= 𝟓 (℉ − 𝟑𝟐) 𝟗 14. De acuerdo con lo anterior, la temperatura del cuerpo humano, 37℃, expresada en Kelvin y Farenheit es: a) 273 K y 9/5℉. b) 300 K y 50℉. c) 98,6 K y 310℉. d) 310 K y 98,6℉. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. 15. El rango diario en la temperatura del aire en un día fue de 9.9℉. ¿Cuál será este rango expresado en K?: a) 200 K b) 300 K. c) 278,5 K. d) 273 K. 16. Cuando se retiran 30 cal de calor de 20 g de una sustancia, se observa que su temperatura decrece de 60℃ a 45℃. ¿Cuál es el calor específico de la sustancia?: 𝑐𝑎𝑙 a) 1,1 b) 0,1 𝑔℃ c) 0,5 𝑔℃ d) 1,5 𝑔℃ 𝑔℃ 𝑐𝑎𝑙 e) La segunda ley establece que si un cuerpo cede calor, otro debe absorberlo y la primera no. f) La primera ley hace predicciones sobre la dirección en que da el flujo de calor y la segunda no. g) La primera ley estable que si un cuerpo cede calor, otro debe absorberlo, pero no hace ninguna precisión de la dirección en la cual se da el flujo de calor. h) La segunda ley habla de la forma en que se da la transferencia de calor entre dos cuerpos y la primera expresa el equilibrio térmico. 𝑐𝑎𝑙 19. El calor y la temperatura difieren en: 𝑐𝑎𝑙 17. Teniendo en cuenta que 1 cal = 4,186 J. El valor de calor específico obtenido en el punto anterior será equivalente a: 𝐽 a) 1,1 𝑔℃ b) 1,5 𝑔℃ c) 0,4186 𝑔℃. d) 0,5 𝑔℃ 𝐽 𝐽 𝐽 La primera Ley de la termodinámica dice que el cambio en la energía interna de un sistema equivale a la diferencia entre el calor transferido al sistema y el trabajo realizado por él. La segunda Ley de la termodinámica dice que el calor no fluye espontáneamente de los cuerpos más fríos a los cuerpos más calientes. 18. De acuerdo con esto, la diferencia entre las dos leyes es que: 156 e) El calor representa la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro mientras que la temperatura es el valor medio de la energía cinética de todas las partículas que componen un cuerpo. f) El calor representa la pérdida de energía de una superficie mientras que la temperatura representa la ganancia de esa energía. g) La temperatura representa la cantidad de energía que pierde una superficie y el calor la cantidad de energía que gana. h) La temperatura hace alusión a la cantidad de energía que un cuerpo transfiere a otro mientras que el calor es el valor medio de la energía cinética de todas las partículas que componen un cuerpo. Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. ARQUIDIÓCESIS DE CALI FUNDACIONES EDUCATIVAS ARQUIOCESANAS REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS GUIAS TALLER ÁREA: CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL: Física GRADO: Noveno GUÍAS TALLER BIBLIOGRAFÍA. PRADA HERNAN. Diseño de talleres y ejercicios de física. Física grado noveno. Año lectivo 2011-2012. Equipo Académico-Pedagógico de los Colegios Arquidiocesanos de Cali. CIBERGRAFÍA. (Primer periodo) http://andaelrumor.files.wordpress.com/2011/05/einstein.jpg www.abcpedia.com › Construcción › Máquinas http://www.profesorenlinea.cl/fisica/MaquinasSimples.htm http://luisriosiearm.blogspot.com/2011/08/maquinas-simples_16.html http://fondoscoches.com.es/60993/cuna-maquina-simple.html http://www.google.com.co/imgres?q=Cuando+hablamos+de+máquinas+se+nos+vienen+a+ la+cabeza+miles+de+pensamientos http://www.tryengineering.org/lang/russian/lessons/rotequil.pdf http://www.icfesinteractivo.gov.co/sniee_ind_pre.htm http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_%28f%C3%ADsica%29 http://omarmezafisica.blogspot.com/2009/11/blog-post.html http://www.todomotores.cl/mecanica/potencia.htm http://www.abc.com.py/nota/10551-trabajo-mecanico/ http://primaria.edumexico.net/Plan%20de%20estudios/sexto/cienciasnaturales6/Bimestre4/ APUNTES/maquinas%20con%20ruedas.html www.taringa.net/posts/info/4022974/La-energia.html http://www.profesorenlinea.cl/fisica/EnergiaCinetica.htm 157 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali. http://fisicadondeestas.blogspot.com/2011/11/energias.html http://es.wikipedia.org/wiki/Trabajo_%28f%C3%ADsica%29 Concepto de energía potencial: www.profesorenlinea.cl/fisica/EnergiaPotencial.htm http://www.eltiempo.com/mundo/europa/ARTICULO-WEB-NEW_NOTA_INTERIOR9496326.html Imagen de potencial.html energía potencial: http://aliceincxland.blogspot.com/2010/04/energia- http://www.icfesinteractivo.gov.co/sniee_ind_pre.htm http://sgcg.es/articulos/2010/05/04/presion-hidrostatica/ http://www.tryengineering.org/lang/russian/lessons/rotequil.pdf http://www.profesorenlinea.cl/fisica/PresionAtmosferica.htm http://hidrostatica.galeon.com/pascal.htm 158 Equipo Académico-Pedagógico. Área Ciencias Naturales y Educación Ambiental: Física. Colegios Arquidiocesanos de Cali.
