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Indicadores de logro:
Define la energía cinética de un objeto a partir del movimiento realizado.
Efectúa un experimento con resortes para evidenciar fuerzas restaurativas y energía potencial.
Aunque ya sepas que una caja de 600 N de peso que se encuentra en reposo sobre una superficie horizontal está experimentando una fuerza normal de 600 N pero apuntando hacia arriba. Y que si aplicas 600 N hacia arriba a la misma caja comienza a elevarse a velocidad constante (movimiento rectilíneo uniforme). Este maravilloso conocimiento que te dan las leyes del movimiento de Newton no termina siéndolo todo.
Hay situaciones que se resuelven más fácilmente si cambiamos de estrategia: de la fuerza a la energía. Pronto descubriremos que esta cantidad escalar abre un nuevo mundo de posibilidades inimaginables para predecir el movimiento.
Lisa: Comer alimentos sanos te da energía para realizar el esfuerzo muscular de saltar en el trampolín.
Nico: ¿Para qué más se necesita la energía?
Lisa: Cerrar una puerta, estudiar, cantar, bailar, andar en bicicleta… la lista es larga.
Nico: ¿Sorprendido y sorprendida por la relación que guardan la energía y el movimiento en situaciones tan divertidas o cotidianas? ¡Descubre una propiedad interesante del trampolín!
A. Descubriendo una propiedad más de algunos materiales
Cuando la fuerza actúa sobre un resorte, cambia de forma o se deforma. ¿Volverá a recuperar la forma original el resorte?
Materiales: resorte, bolsas con 500 ml, 1 L, 1.5 L y 2 L de agua.
Procedimiento:
Observa el estiramiento del resorte en el diagrama cuando se cuelgan varios pesos de diferentes magnitudes. ¿Qué sucede si se hacen oscilar esas masas?
Tu docente colgará varios pesos en un resorte real. Responde en tu cuaderno de trabajo lo que se indica:
¿Cuántos centímetros se estira el resorte por cada peso que se cuelga? Completa la información de la tabla. (Se usó la densidad del agua a 4 ºC: 1 g/cm3).
Si el peso de 5 N está en reposo y lo haces oscilar, ¿qué valor de elongación final tendrá el resorte cuando no haya oscilación
Según lo que has observado del resorte, ¿en qué se pueden parecer una pelota y un resorte cuando reciben una deformación?
Luis: Un resorte está hecho de un alambre metálico enrollado. Tiene una longitud definida si no está estirado o comprimido por una fuerza, denominada longitud natural del resorte. Pero la propiedad más importante que nos interesa estudiar del resorte es su capacidad de recuperar la forma original después de tener una elongación. Comencemos con un material bien conocido: la goma.
B. ¿Creías que los resortes tenían una apariencia única?
Fabrica el dispositivo y descubre qué tan lejos logras lanzar objetos en dirección horizontal. ¿Existirá relación entre la masa y la velocidad de salida del objeto y la longitud de estiramiento del material elástico?
Materiales: tubo de papel toalla (27.50 cm de largo), tijeras, objetos livianos que entren por el tubo externo (por ejemplo: tapón de botella o goma de borrar), cinta adhesiva transparente, perforadora de papel de un agujero, lapicero o lápiz, dos o más bandas de goma o anillos elásticos (5 cm de diámetro) y cinta métrica.
Procedimiento:
Corta longitudinalmente por la mitad el tubo de papel toalla, con la tijera. Toma una mitad y córtala longitudinalmente (a esta mitad le llamaremos «mitad rectangular» o «tubo interior»).
Enrolla la mitad rectangular y hazla entrar por el interior del otro tubo (que llamaremos «tubo exterior»). Fija el diámetro del tubo interior poniéndole cinta adhesiva transparente a lo largo de su corte longitudinal de tal modo que se desplace sin dificultad por el interior del tubo externo y cubre completamente uno de los extremos del tubo interior.
Haz dos agujeros opuestos a 1.50 cm de un extremo del tubo interior con la perforadora.
Introduce poco a poco un lapicero pasándolo por los dos agujeros hasta centrarlo. Cuida de no romper el cartón del tubo interior.
5. A un extremo del tubo exterior, hazle dos cortes o ranuras de un cm de largo cada una. Deja entre ranuras la separación del ancho de un dedo. Repite este paso en el mismo extremo del tubo exterior, pero en el lado opuesto de las ranuras. En total habrá cuatro ranuras que deben quedar en posiciones opuestas.
6. Desliza con cuidado una banda elástica alrededor del mismo par de ranuras y sujétala con cinta adhesiva transparente. Repite este paso en el otro par de ranuras.
7. Introduce el tubo interior dentro del tubo exterior de modo que el lapicero quede en el extremo opuesto al par de hules. Estira ambos hules hasta engancharlos a cada extremo del lapicero.
8. Dibuja una escala en centímetros de división mínima 0.5 cm en el tubo interior y coloca el 0 en el borde del tubo exterior, así la lectura de la escala significa el estiramiento adicional de los hules.
9. Introduce un objeto liviano en el dispositivo, asegúrate de que se vaya al fondo del tubo interior. Luego prepara el dispositivo en la superficie horizontal para el lanzamiento.
10. Retrocede el tubo interior halándolo por medio de los extremos del lapicero a una distancia de 1.0 cm.
11. Lanza el objeto en dirección horizontal, mide la distancia que recorre el objeto y completa la información que se indica en tu cuaderno de trabajo:
Escribe el valor de la velocidad inicial del objeto: vi^→ = 0^→ m/s, vi^→ ≠ 0^→ m/s. Justica tu elección.
Completa la tabla según el número del paso en que te encuentres.
¿Por qué en las elongaciones de 3.0 cm el objeto recorre menor distancia en una de ellas?
12. Repite el paso 11 dos veces más para tener tres lanzamientos bajo las mismas condiciones iniciales.
13. Repite los pasos del 10 al 12 (en este caso serán 3.0 cm en lugar de 1.0 cm de retroceso).
14. Repite el paso 6 para instalar un segundo par de bandas elásticas en el dispositivo.
15. Repite los pasos del 10 al 13.
Carlos: ¿Tienen nombres la energía que se refiere al movimiento y la energía acumulada en las bandas de goma o en el resorte deformado?
Irene: Sí, en ciencia y tecnología es bueno utilizar la terminología correcta. Tengo curiosidad por saber si en las actividades que realizamos existían dos clases de energías o si era la misma energía manifestándose de otra manera.
Notación
Todas las formas de energía tienen la misma unidad del SI que es J (sin punto y en mayúscula) o joule (sin punto y con letra inicial minúscula.
EC es el símbolo de la energía cinética. Se define como: EC = (1/2) masa × velocidad2
Símbolos de las magnitudes:
Masa: m (kg)
Velocidad: v (m/s).
¿Qué aprendimos?
Expliquemos un poco cómo va influyendo la fuerza de la gravedad y la fuerza elástica del trampolín sobre la velocidad y la posición de Lisa. Si ella hace saltos idénticos, la velocidad y la posición repiten sus magnitudes originales cada cierto tiempo.
Durante el tiempo que la fuerza del trampolín actúa sobre los pies de Lisa, este le da una velocidad hacia arriba cada vez mayor: Lisa acelera hacia arriba.
Pero esta velocidad pronto disminuye cuando los pies de Lisa dejan de tocar el trampolín y queda recibiendo solo la influencia de la fuerza gravitatoria de la Tierra. Cuando ella alcanza la altura máxima de su trayectoria, su posición ha estado aumentando y su velocidad disminuyendo hasta ser cero.
Pero a medida que pasa el tiempo, Lisa bajará. Su posición disminuye y su velocidad aumenta.
La idea de una fuerza que cambia la posición y la velocidad de un objeto de una manera repetitiva llevó a la ciencia a estudiar el movimiento con otra estrategia: ¿existe alguna cantidad que no cambia? La respuesta es sí. Se llama energía y es una cantidad escalar.
La energía se manifiesta de varias maneras, por eso inventamos etiquetas para nombrarlas. En esta clase descubrimos dos energías muy importantes: la energía cinética y la energía potencial elástica.
Ambas entran en la clasificación de energía mecánica porque son formas de la energía de los objetos y las máquinas. Un automóvil de 1400 kg que se mueve a 80 km/h (22 m/s) en una carretera, tiene energía mecánica cinética porque es la energía asociada con el movimiento.
El cálculo de Ec = 1/2 (1 400 kg) (22 m/s)2 = 338 800 J = 3.38 800 × 105 J = 3.4 × 105 J
La artesana hala el hilo ejerciendo un torque sobre el cilindro, por ello, éste gira. Recuerda: la fuerza traslada y el torque rota los objetos.
Ojo al dato...
La energía tiene magnitud y dirección, pero sigue siendo un escalar. La razón es que para ser vector debe cumplir también con la operación suma vectorial, la cual no cumple. Por eso es una cantidad escalar.
Además, descubrimos que existen a nuestro alrededor objetos elásticos que cuando son estirados o comprimidos almacenan energía potencial elástica. Si sustituimos estos objetos elásticos por resortes, presentamos la fuerza elástica o restauradora que ejerce el resorte sobre el objeto que lo deforma:
Fuerzaresorte sobre objeto= -Constante del resorte x distancia de deformación
Fresorte sobre objeto^→ = -k x^→
El valor del escalar energía potencial elástica (EPE) es:
EPE = 1/2 k x2
Ejemplo resuelto. Colocas una flecha (masa = 0.090 kg) en un arco y halas de la cuerda 0.40 m hacia atrás. El arco tiene una constante de resorte de 900 N/m. ¿Cuánta energía potencial elástica tiene almacenado el arco? La solución es:
EPE = 1/2 x900 N/m x (0.40 m)2 = 72 J
C. Un método para rastrear la transferencia de energía entre objetos
Cualquier transferencia de energía involucra una fuente cuya energía se reduce; un medio de transferencia de la energía (trabajo, ver la flecha); y un receptor de energía, cuya energía se incrementa.
Intenta entender el diagrama de energías. Es de Lisa y el trampolín.
Utilízalo de ejemplo y responde en tu cuaderno de trabajo:
Haz los diagramas de energía de las actividades A y B de esta clase.
a. Descubriendo una propiedad más de algunos materiales
b. ¿Creías que los resortes tenían una apariencia única?
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