Física 1

Energía y los movimientos 3

EAS Nº 900

Módulo 1 de

Física

AÑO 2000

PROFESOR ABEL ENRIQUE GÓMEZ

1er Año Polimodal

Fascículo Nº1 - Prof. Abel Enrique Gómez 4

Indice Presentación 6 Introducción 6 A ponerse en acción 9 ¿Por qué estudiar energía? 15 Actividad Nº1 11 Introducción ¿Qué es energia? 12 Relación Energía Trabajo 17 Distintas formas de energía 18 Energía potencial 20 Energía cinética 20 Energía potencial gravitatoria 20 Energía potencial elástica 21 Energía cinética 21 Energía cinética de traslación 12 Energía cinética de rotación 12 La energía, las fuerzas y los movimientos 15 ¿Qué es el trabajo? 17 Movimiento 19 Sistemas de referencia 20 Movimiento relativo y absoluto 20 Clasificación de la velocidad 21 Movimiento rectilíneo uniforme – leyes 23 ¿En qué se mide la velocidad? 25 Movimiento rectilíneo uniformemente variado 31 ¿Qué produce a los movimientos? 41 Magnitudes que son vectoriales 42 Sistema de Fuerzas 43 Momento de una fuerza con respecto a un punto 46 Las Fuerzas y los Movimientos 49 ¿Por qué las fuerzas son interacciones? 51 ¿Qué es la dinámica? 52 Sistemas de fuerzas 52 ¿Cómo se rige la dinámica clásica? 53 Las Fuerzas y las superficies 59 ¿Qué es presión? 61 Unidades de presión 63 ¿Qué estudió Pascal? 65 Principios de Arquímides 67 Presión atmosférica normal 71 Autoevaluación 73 Bibliografía 74

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C

FASCÍCULO Nº 1

LA ENERGÍA, LAS FUERZAS

Y

LOS MOVIMIENTOS

¿Qué tipos de energías se pueden observar?

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Fascículo Nº1 - Prof. Abel Enrique Gómez 6

PRESENTACIÓN ¡Hola!, ¿Qué tal?. Me parece muy serio hacer una presentación larga y tediosa(¿qué es tediosa?), y porqué no, aburrida. Es más fácil decir: soy el profesor de Física, mi nombre es Abel Gómez, y espero que nuestra comunicación sea lo más clara posible. Y, lógicamente, también es mi anhelo que las explicaciones sean precisas y que te permitan acceder a la comprensión y al descubrir de muchos fenómenos. INTRODUCCIÓN

La Física tiene que ver con todas las cosas que

hay a tu alrededor y, lógicamente, con la Energía que poseen. Tiene que ver con el porqué del calor, con la composición de la luz, con el movimiento de las cosas y sus sonidos, y con muchas cosas más.

Fueron los antiguos griegos los primeros en estudiar las Ciencias y algunos de los principios físicos se conservan desde entonces. Incluso la palabra “física” proviene de una palabra griega (significa cuerpo). Muchas de las leyes y principios básicos de la física tienen muchos cientos de años de antigüedad, y no quiere decir que ya no sean válidos. Muchos de los descubrimientos científicos de la actualidad están basados en ellos, y son fundamentados para comprender cómo funcionan las cosas, desde una bicicleta hasta una nave espacial.

Cada uno de estos principios descubiertos, son interacciones físicas, lo que significa que cada cambio que se produce parte de acciones compartidas.

Es importante que la enseñanza y el aprendizaje de estas interacciones físicas se desarrollen teniendo en cuenta la realidad del medio en donde se producen. Para ello pueden presentarse materiales (Fascículos-videos) que incluyan actividades relacionadas con otras disciplinas del Área (Biología – Química - Matemática) y también con otras Áreas o campos del conocimiento.

Las interacciones físicas, en general implican la incorporación y el manejo de conocimientos que van desde el desplazamiento de un lugar a otro, de la energía que se utiliza para provocarlo, hasta la comprensión de hechos cotidianos.

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Ahora te digo qué vas a estudiar:

¡Ah! Y para qué. Esto es una Síntesis que te brinda el orden de los temas.

En el desarrollo del fascículo 1 se secuencian los temas por integrados que son bloques temáticos. Allí se estima el tiempo de trabajo para cada uno de estos integrados.

FASCÍCULO Nº 1

1. ¿Qué es energía?(Tal vez ya lo sabés).

2. Mecánica: fuerzas, movimiento y presión.

(“Dadme una palanca y moveré el mundo”, Arquímedes).

FASCÍCULO Nº 2 1. Energía mecánica: Trabajo, potencia.

(¡Aquí vas a transpirar!)

2. Calor y temperatura. (En caso de incendio agarrá un balde... ¡con agua!)

FASCÍCULOS Nº 3

1. Los movimientos ondulatorios y vibratorios. (¡Cuidado con las malas Ondas).

2. La electricidad y el magnetismo. (¡Un cable a tierra por favor!).

3. Las radiaciones electromagnéticas.

(¿El bronceado es un buen color?). Ondas visibles: La luz. (¿Es lo que nos permite ver?)

¿Por qué Fascículos Nº 3?. Hay tres fascículos, de los cuales tenés la obligación de “hacer” uno.

¿Cuál?.

Aquel que vos elijas, o sea el que más te guste.

La opción por uno de los tres es obligatoria para aprobar todo el espacio curricular de Física.

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“Energía es la capacidad de realizar un trabajo”

Entonces:

¡A PONERSE EN ACCIÓN!

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INTEGRADO N° 1: 2 CLASES DE 2 HORAS.

LA ENERGÍA Y LOS CAMBIOS Tal vez te resulte interesante que mirés a tu alrededor y observés qué cambios(en los “cuerpos” o en las “cosas”: que se deformen o que se muevan) se están produciendo y los enumerés.

Después... ¿te animás a explicar lo que es energía?.

ACTIVIDAD Nº1: INDIVIDUAL O GRUPAL

Te doy un ejemplo (como para comparar...

¿Viste?). Vos agregá los que puedas en los espacios en blanco de la siguiente tabla:

ATENCIÓN: Completá el cuadro antes de continuar.

CAMBIO EXPLICACIÓN CAUSAS OBSERVACIONES VIENTO Aire en

movimiento El aire viaja de la zona de mayor presión a la de

menor. O de la zona

más densa a la menos densa.

El aire a mayor temperatura es menos denso que a menor

temperatura.

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INTRODUCCIÓN La ciencia y la tecnología requieren imaginación.

Durante mucho tiempo se supo que el vapor de agua hirviente levantaba la tapa de la cacerola; pero la humanidad quedó limitada a su propia energía y a la de los animales domésticos, hasta que a alguien se le

ocurrió utilizar la fuerza del calor. Solemos asociar la idea de materia a la de espacio ocupado, y la idea de

energía, a la de movimiento. La obtención de energía transforma nuestro mundo y es uno de nuestros principales

objetivos.

¿QUÉ ES ENERGÍA? La respuesta a esta pregunta surge, espero, de

los cambios que hayas enumerado en la Actividad de la página anterior. Todo fenómeno, ya sea natural o artificial, representa una manifestación de energía. O sea que al observar una cascada, el movimiento del agua es un cambio (un fenómeno) que se puede utilizar para mover una máquina, que a su vez realiza otro cambio, por ejemplo: moler maíz o trigo. O sea que “transmite” el cambio del agua hacia otra actividad (hacer harina), ¿Se puede decir que hace el trabajo que tendría que hacer una persona?. Fig. 1(una cascada que haga mover una noria o un molino).

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En términos generales, se puede decir que energía es la capacidad propia que tienen los cuerpos o la materia para realizar trabajo. Resulta de la combinación de las voces griegas “en ergon”, que significa, justamente, “trabajo”. Con esto quiero decir que si un cuerpo tiene energía, para comprobarlo y medirla, debe realizar un trabajo. Por lo tanto el trabajo representa una transformación de energía.

La energía puede transmitirse de un cuerpo a otro e, inclusive, cambiar de forma; sin embargo, tiene la extraordinaria y vital propiedad de no poder ser creada ni destruida, y ello es válido para todo el universo conocido. Durante miles de años el hombre utilizó la energía que se liberaba, quemando combustibles para producir... ¡calor! Los combustibles que se queman hoy en día nos suministran la mayor parte de la energía para. crear industrias, operar maquinarias y poner en movimiento trenes, barcos, autos, aviones y cohetes, además de brindar confort y comodidades a las actividades de la vida diaria.

La manipulación cuidadosa de la energía se ha convertido en un requerimiento esencial en el esfuerzo de la humanidad para sobrevivir y desarrollarse. Ejemplos de relaciones entre la energía y el trabajo La energía esta relacionada, entre otras tantas cosas, con • Los cuerpos en movimiento, pues el tener que variar

su velocidad, realizan trabajo. • Un resorte o elástico comprimido o estirado, ya que

al volver a su posición inicial también realiza trabajo. • Un acumulador o batería eléctrica cargada, cuando

al cargarse realiza un trabajo. • Un gas encerrado en un recipiente que, al

expandirse o al descargarse, produce un trabajo. • Un explosivo, pues al efectuarse la detonación se

produce un trabajo.

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LA FORMA DE LA ENERGÍA BÁSICA: LA MECÁNICA: Para toda transformación de energía que implique movimiento o que cuando se libere va a desarrolle un movimiento, se le asigna el término de mecánica. Se reconoce cuando su transformación

pone en funcionamiento distintos dispositivos, por ejemplo, en el caso de la energía química que se transforma en energía mecánica de movimiento cuando una persona anda en bicicleta:

SEGÚN LA FORMA DE ALMACENARSE SE PUEDE CLASIFICAR EN:

1) Energía potencial:

Es la que tiene un cuerpo en reposo(está como encerrada) que va a ser capaz de realizar un trabajo cuando salga de ese estado. Se suele desdoblar en: • Energía potencial gravitatoria:

Esta clase de energía es debida a la posición que ocupa el cuerpo, y representa el trabajo recibido por el cuerpo al ser trasladado hacia ese lugar, en contra de la acción de la GRAVEDAD. “Es la Energía que posee almacenada un

cuerpo cuando está a cierta altura y cuyo valor va a depender de ésa altura y del PESO que posee”.

Ahora fíjate en las figuras y animáte a sacar conclusiones! : h es la altura

Más sencillo: cuanto más alto

esté y más pesado sea el cuerpo mayor energía va a

tener.

GRAVEDAD: fuerza de atracción que poseen todos los cuerpos en el Universo. PESO: a este concepto lo vas a estudiar en este fascículo, pero para que no des muchas vueltas te lo digo ahora, “Es el valor de la fuerza de atracción de la gravedad sobre todos los cuerpos”.

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• Energía potencial elástica

Es la energía que acumula un resorte estirado o comprimido, o un elástico, o la cuerda tendida del arco que arroja la flecha. Cuando vas a tirar con una gomera, colocás la piedra en el cuero y luego estirás el “elástico” hasta lo máximo que te da la fuerza ¿porqué?, Seguramente porque querés que la piedra salga más “rápida” o llegue más lejos. A medida que vas estirando estás dándole energía potencial elástica a la piedra, que se va a liberar y a transformar en movimiento cuando soltés el cuero. Esta energía va a depender de la fuerza que apliqués para estirar y de la longitud que se estire. Mirá las figuras.

¿Cuál de las dos va llegar más lejos? (Disculpame pero no sé por qué no dibujé la gomera que es más fácil).

Energía cinética:

Es la que tiene un cuerpo en movimiento y que, en virtud de ello, es capaz de realizar un trabajo. ¿Cuánto más daño se provoca en el caso de que un automóvil choque?.

¿Cómo se clasifica?

Se puede clasificar, teniendo en cuenta la

trayectoria en: 1.-Energía cinética de traslación: cuando el cuerpo se mueve entre dos posiciones a lo largo de una determinada distancia.

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2.- Energía cinética de rotación: cuando el cuerpo gira alrededor de un eje. • Energía cinética de traslación:

Esta clase de energía es la que posee, por

ejemplo, un vehículo en movimiento de traslación.

POSICIÓN A POSICIÓN B

• Energía cinética de rotación

Es la energía que tiene los cuerpos que giran; es

el caso, por ejemplo, de una rueda, un molino o un motor.

ACTIVIDAD Nº2: Con lo explicado hasta aquí y con la ayuda de textos de Ciencias Naturales de 8° año de EGB3 realizá:

1. Una síntesis sobre los tipos de energía mecánica.

2. Una clasificación de las fuentes de energía usando como criterio:

a) Convencionales, alternativas. b) Contaminantes y no contaminantes.

Renovables y no renovables.

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En Física Trabajo Mecánico es la acción que se desarrolla cuando se aplica una FUERZA PARA DESPLAZAR A UN CUERPO UNA DETERMINADA DISTANCIA

ENERGÍA

INTEGRADO N° 2: 1 clase de dos horas.

¿QUÉ ES TRABAJO? En el Integrado anterior viste que la energía es la capacidad de realizar un trabajo y que además está presente en todos los cuerpos.

Ahora yo pregunto para que la energía se transforme ¿hay que realizar un trabajo?.

Entonces cuando se libera energía se

realiza un trabajo. Para que el trabajo se pueda llevar a cabo hay que aplicar una fuerza, ya sea para “mover”, o detener al cuerpo, siempre recorriendo una determinada distancia.

En definitiva, para poder medir el trabajo y, en consecuencia, la energía que se transforma, hay que conocer: fuerza, y como el cuerpo se mueve, también se hace necesario el conocimiento de los movimientos. Observá el siguiente diagrama(Red conceptual le llaman)(ya me puse demasiado... ¿serio?. O... Eso lo decidís vos):

Capacidad de realizar

un mediante una que recorre una que se aplica en un cuerpo y sobre su y provoca que es cantidad de materia es decir que la

velocidad cambia

TRABAJO

fuerza

distancia

Masa Aceleración

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Y AHORA, PARA QUE TE ANIMÉS, TE EXPLICO EL DIAGRAMA ANTERIOR:

Si seguís la flecha, no te vas a perder. Energía es la capacidad de realizar un trabajo mediante la aplicación de una fuerza que recorre una distancia. El valor de esa fuerza depende de la cantidad de materia(masa)sobre la que se aplique y de la aceleración que provoque, es decir del cambio de velocidad(hay movimiento). Parece complicado ¡¿NO?!. ¿Por dónde empiezo?... En realidad, si hay un cuerpo que está en movimiento debido a la acción de una fuerza, lo lógico es que comencemos por estudiar y describir los movimientos. Después de tantas vueltas y, antes de empezar te propongo que realicés la siguiente:

ACTIVIDAD Nº3 grupal o invidual:

• Podés trabajar en forma individual o grupal. • Para analizar y “saber” el tema movimiento tenemos que decir “el

movimiento se demuestra andando”. Esto ¿Será así?. Pero, ¿cómo hacés la demostración? ¿Qué tomarías en cuenta para decir que “esto” o “aquello” está en movimiento? ¿De qué manera se podría asegurar que un objeto está en movimiento?.

• Vos podés responder a todas estas preguntas, pero para hacerlo tenés que:

1. Observá con atención los cuerpos que hay a tu

alrededor(pájaros, hojas de árboles, moscas, personas, etc.)y describí con la mayor cantidad de detalles, su estado de “movimiento” o de “no-movimiento”.

2. Si hacés el trabajo en grupo, compará tu descripción con la hecha por los demás integrantes.

3. Escribí una conclusión final... ¡Si encontraste alguna!. Si no es así ¡no te aflijas!. Pues nada es tan difícil como aparenta.

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INTEGRADO N° 3: 1 CLASE DE 2 HORAS.

MOVIMIENTO Si te ubicás en un ascensor totalmente a oscuras ¿Cómo te darías cuenta de que el mismo y vos están en movimiento?. Seguro que me contestarías: “¡es fácil!, si escucho ruido, está en movimiento” o “si pudiera ver para afuera, vería que paso por los diferentes pisos, por lo tanto me muevo”. ¡Si!. Todo eso es cierto, pero imagináte que no ves, ni escuchas nada ¿Es posible darte cuenta de que te estás moviendo?. ¡Claro que no!. Porque para que un cuerpo se considere en movimiento debe existir otro quieto, lo que en Física denominamos reposo. Concluyendo: Para definir movimiento se puede decir que: Analizá los siguientes ejemplos y, si querés, agregá uno(podés usar los que describiste en la página anterior). (a) Un señor sentado en un tren que se mueve: -

Está en reposo con respecto al tren, pero se mueve con respecto a la Tierra.

(b) Un señor caminando en un colectivo hacia la parte del conductor: - Está en movimiento con respecto al colectivo, pero además se mueve con respecto a la Tierra.

Un cuerpo está en movimiento cuando se acerca o se aleja de otro o de otros considerados en reposo. Estos constituyen el sistema de referencia.

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SÍNTETIZANDO

(para ordenar y simplificar...un poco nada más)

Sistema de referencia Un punto(cuerpo: avión, auto, persona, pájaro,

etc.) se mueve cuando varía su posición con respecto a otros puntos que se consideran fijos. Estos puntos fijos constituyen el sistema de referencia. Ejemplo: una persona que viaja sentada en tren, está en reposo con respecto a un sistema de referencia ligado a dicho tren, pero se mueve con respecto a la Tierra.

Movimiento relativo y absoluto El movimiento de un punto con respecto a un

sistema totalmente inmóvil es un movimiento absoluto. Este mismo movimiento, con respecto a un sistema que a su vez se mueve, es un movimiento relativo. Ejemplo: Si una persona se mueve por el pasillo de un tren en movimiento tiene, con respecto a este sistema de referencia, un movimiento relativo. Si la Tierra se supone inmóvil en el espacio, esta misma persona con respecto a ella se mueve con un movimiento absoluto.

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CLASIFICACIÓN DE LOS MOVIMIENTOS Has visto, hasta aquí, cuándo un cuerpo está en movimiento. Ahora verás cómo se mueve.

Esta clasificación que te presento está basada en dos criterios:

a) La trayectoria. b) La velocidad.

a) Clasificación según la Trayectoria. 1. Si el camino es recto, el movimiento es

rectilíneo. Por ejemplo: la caída de un cuerpo libremente en el aire, la luz en diferentes medios. Dib. (algo que cae o una ruta ¿recta?)

2. Si el camino es una circunferencia o sea que describe un círculo el movimiento es circular. Ejemplo: la rueda de un automóvil, o de una bicicleta. Dib.

3. Si el camino es una onda el movimiento es ondulatorio. Ejemplo: las olas del mar. Este movimiento se estudia en el fascículo 3. Dib.

4. Cuando no hay un camino definido ni preciso, por ejemplo en el caso de una mosca volando, se dice que es movimiento caótico. Dib..

b) Clasificación según la velocidad: ¿Qué es velocidad?: Es la relación entre la

distancia que se recorre y el tiempo que se emplea en hacerlo. En otras palabras es la distancia que se recorre en cada unidad de tiempo.

Ejemplo: Si para recorrer, corriendo, una cuadra,

que tiene 100 metros empleo 10 segundos, significa que en cada segundo fui recorriendo 10 metros, entonces la velocidad es de 10 metros en cada segundo(se dice así: 10 metros por segundo y se escribe así: v= 10m/s).

1. Si la velocidad no cambia, o sea que a medida

que transcurre el tiempo permanece constante, el movimiento es uniforme. (La velocidad de la luz, del sonido).

El ser rápido ¿es una virtud?

¿Qué es trayectoria? :

Es la figura que describe, o que hace un cuerpo

cuando se mueve (“Caminante no hay camino, se hace camino al andar”, Antonio

Machado).

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2. Si hay cambios de velocidad a lo largo de cierto tiempo, es decir que hay aceleración, el movimiento es variado. (una piedra que cae, un auto que frena).

UNIENDO LOS DOS CRITERIOS (velocidad y trayectoria) QUEDA LA SIGUIENTE CLASIFICACIÓN DE LOS MOVIMIENTOS:

1. MOVIMIENTO RECTILÍNEO UNIFORME. rayo de luz 2. MOVIMIENTO RECTILÍNEO VARIADO.

un auto que va frenando 3. MOVIMIENTO CIRCULAR UNIFORME. Un tocadiscos o un reproductor de CD

4. MOVIMIENTO CIRCULAR VARIADO (de este ves el nombre, nada más) Un trompo va variando su movimiento hasta detenerse