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Indicadores de logro:
Realiza un experimento con objetos en caída libre, para evidenciar la relación entre la altura y la energía potencial.
Identifica las transformaciones de energía a través de experimentos.
Nico: Mi fuente de energía son mis baterías recargables. De ellas extraigo la energía química que necesito para manejar esta grúa que levanta grandes cargas.
A. ¿Almacenan alguna energía los objetos que se hallan a cualquier altura del suelo?
¿Qué tipo de energía podría tener el cuadro que cuelga de una pared, los focos de las paredes o del techo, el techo mismo y las aves en vuelo?
Materiales: roca grande (puede ser un ladrillo), roca pequeña, 2 latas de aluminio y tirro (opcional).
Procedimiento:
Coloca dos latas en el suelo, separadas unos 70 cm bajo la orilla de una mesa. Puedes fijarlas al suelo con tirro.
Mide la altura de la mesa y regístrala en tu cuaderno de trabajo.
Levanta la roca grande del suelo y colócala a la orilla de la mesa.
Levanta la roca pequeña del suelo y colócala a la orilla de la mesa.
Responde en tu cuaderno de trabajo lo que se indica:
¿Qué sucederá cuando la piedra grande golpee la lata? ¿Qué sucederá cuando la piedra pequeña golpee la lata?
Empuja la roca grande y luego la roca pequeña para que golpeen directamente las latas.
Responde en tu cuaderno de trabajo:
¿Cuál de las piedras impacta en la lata con mayor energía cinética? ¿La piedra de mayor o menor masa?
¿La respuesta anterior la razonaste porque una de las piedras tiene mayor masa o porque una de las piedras impacta con mayor velocidad sobre la lata? De preferencia escoge solo una opción, no las dos.
Nico: Cuando yo aplico una fuerza a un resorte, este ejerce sobre mi otra fuerza, de igual magnitud y dirección, pero de sentido contrario. Esa es la clave de la fuerza restauradora o fuerza elástica que poseen. ¡Guau! Qué impresionantes y útiles son para mí, sobre todo cada vez que paso por algún bache en el suelo, siento como mis amortiguadores absorben por mí los impactos.
B. El mejor lanzador de la clase
¿Por qué es cero la energía cinética de la pelota de pimpón si alcanza su altura máxima? ¿Cuál energía alcanza su máximo valor en la altura máxima?
Materiales: globo grande, vaso de papel, tijeras, pelota de pimpón, varios huacales o recipientes con tela esponjosa en el fondo, cinta métrica y balanza.
Procedimiento:
Corta el fondo del vaso de papel.
Corta la parte superior del globo.
Estira el agujero del globo para cubrir el fondo del vaso.
Haz un nudo en el cuello del globo.
Deposita la pelota de pimpón en el fondo del vaso.
Hala el extremo colgante del globo y suéltalo.
Ahora que ya puedes lanzar, responde en tu cuaderno de trabajo lo que se te pide.
Pon a prueba tu estrategia de lanzamientos de pelotas de pimpón para hacerlas entrar a un recipiente desde diferentes distancias. Utiliza la energía que tiene tu lanzador de proyectiles y trata de no fallar.
Tu docente dispondrá de algunos huacales o recipientes ubicados en diversas posiciones alrededor de tu equipo.
Pueden hacer un sistema de puntaje.
Ahora que ya eres un experto lanzador, responde las siguientes preguntas sobre la energía.
¿Por qué es cero la energía cinética de la pelota de pimpón si alcanza su altura máxima?
Mide la masa y la altura de la pelota al detenerse, y encuentra el siguiente valor:
EPG = masa de una pelota × aceleración de la gravedad × altura
Luis: El material elástico cambia sus dimensiones por efecto de una fuerza, pero recupera su forma original cuando se libera de ella. Parte de la energía se transfirió o entregó a la pelota de pimpón que estuviste disparando. Pasemos a aprender con el plano inclinado. En la siguiente actividad, ¿qué energías puede transferir?
Notación
EPG, símbolo de la energía potencial gravitatoria. Se define como:
EPG = masa del objeto × aceleración de la gravedad × altura
Símbolo de la altura: h
C. ¿Quién va más lejos?
¿Qué efectos tienen sobre el movimiento del vaso, la masa y la altura a la que parte en reposo una canica?
Materiales: algunos libros, lápiz, regla con una ranura central, vaso desechable de polietileno (o de papel) de 8 oz (236 ml), tijeras, dos canicas de diferente tamaño y balanza.
Procedimiento:
Corta con la tijera un cuadrado de 2.5 cm de sección desde la parte superior (la parte ancha) del vaso y ponlo boca abajo sobre una superficie horizontal.
Coloca el vaso sobre la regla. Un extremo de la regla debe tocar la parte posterior del vaso.
Levanta el extremo opuesto de la regla y apóyala sobre el lápiz.
Coloca la canica pequeña en la ranura central del extremo más alto de la regla y suelta la canica.
Mide la distancia horizontal que recorre el vaso y mide la altura vertical de donde soltaste la canica pequeña.
Levanta el extremo de la regla y apóyala en el borde de algunos libros apilados de Ciencia y Tecnología.
Vuelve a colocar la misma canica en la ranura del extremo más alto de la regla y suelta la canica.
Mide la distancia horizontal que recorre el vaso y mide la altura vertical de donde soltaste la canica pequeña. Responde en tu cuaderno de trabajo lo que se indica.
Repite los pasos del 2 al 8 con la canica grande.
¿Cuánto vale la energía potencial gravitatoria de la canica grande antes de descender?
En la siguiente afirmación, escribe en los espacios en blanco: «energía potencial gravitatoria» o «energía cinética».
Durante el descenso, la ____________________ de la canica va disminuyendo, y simultáneamente la ____________________ de la canica va aumentando.
¿Qué valor tiene la energía cinética de la canica pequeña antes de golpear el vaso?
¿Qué aprendimos?
El agua que se almacena detrás de una represa que está cerrada tiene energía potencial gravitatoria. Tan pronto como se abre la presa y el agua cae, se transforma en energía cinética.
Por su parte, la energía potencial elástica que experimentamos la lección anterior está asociada con la fuerza de un resorte: puedes estirar o comprimir un resorte; no tardarás en darte cuenta que él ya está ejerciendo fuerza sobre tus manos porque busca restaurar su forma natural, su posición de equilibrio. Recuérdalo, toda energía potencial tiene asociada alguna fuerza.
D. Un vistazo más de cerca a la energía mecánica
Piensa en lo que sucede cuando lanzas una pelota hacia arriba. Una vez que la pelota está en vuelo, la fuerza de la gravedad de la Tierra la hace disminuir de velocidad, eventualmente se detiene y vuelve a caer donde se lanzó.
Durante el vuelo ascendente de la pelota, su energía cinética disminuye constantemente, mientras que su energía potencial aumenta. En el camino de regreso hacia abajo, la energía cinética de la pelota aumenta mientras que su energía potencial disminuye.
¿Podemos encontrar los valores de estas energías a partir de la figura? Sí, es muy fácil. Primero comencemos por hallar la energía potencial gravitatoria de la pelota en su altura máxima (el punto 1 de la figura).
La energía cinética del viento se transforma en energía cinética rotacional, y luego, en energía eléctrica para los sectores residencial e industrial.
Ojo al dato...
La energía mecánica es una cantidad que se conserva en cualquier punto de la trayectoria del objeto.
E(1) = E(2) = E(3) = etc.
Cálculo de la energía potencial máxima de la pelota
EPG = masa × aceleración de la gravedad × altura
EPG = 0.40 kg x 9.8 m/s2 x 3.0 m
EPG = 12 J (en la altura máxima) ← literal (d)
¿Qué de especial hay en la altura máxima? Si lanzaras cualquier objeto hacia arriba, acertarás que en ese único punto la velocidad del objeto es 0.
En la altura máxima, v^→ = 0^→ m/s
Con esta información, la energía cinética también es cero porque no hay movimiento en este instante. ← literal (c), punto 1.
En la altura máxima, v^→ = 0^→ m/s, EC = 0 J
En vista de que la energía cinética y las energías potenciales forman el total de la energía mecánica, es lógico afirmar que:
Energía mecánica total = EC + EPG + EPE
Conocemos todos esos términos de la altura máxima.
Energía mecánica total = 0 J + 12 J + 0 J
Energía mecánica total = 12 J
Conocemos todos los términos del punto 1.
Energía mecánica total = 0 J + 12 J + 0 J
Energía mecánica total = 12 J
Como la energía mecánica es una constante del sistema.
Energía total (punto 1) = Energía total (punto 2)
12 J = Energía total (2)
12 J = EC (2) + EPG (2)
Como la altura es cero en el punto 2, EPG (2) = 0 J ← literal (b)
12 J= EC (2) + 0 J
12 J = EC (2) ← literal (a)
Analiza el ejemplo desarrollado y responde en tu cuaderno de trabajo lo que se te indica:
Encuentra los valores de la energía cinética y potencial donde se te indica.
2. Haz el diagrama de energía de la Actividad B. El mejor lanzador de la clase.
Las cantidades vectoriales estudiadas son: la posición, el desplazamiento, la velocidad, la aceleración, la fuerza y el torque. La magnitud de los vectores es siempre positiva o cero. Pero la dirección y el sentido de los vectores vienen dados por los vectores unitarios î, ĵ, k.
Observa la figura. Si te has fijado, cuando representamos gráficamente los vectores siempre pusimos positiva su magnitud, esto se debe a que la flecha ya nos indica la dirección y el sentido del vector. El desplazamiento del perro se puede expresar así: Δx^→= -(4.00 m)î . El signo negativo acá pertenece al vector unitario (-î), y no a su magnitud (4.00 m). Otras dos maneras de expresar este desplazamiento son: Δx^→ = 4.00 m al oeste y Δx^→ = (4.00 m, 180°).
Cuando el movimiento de un vehículo es rectilíneo uniforme, la velocidad es constante. Por ejemplo, v^→ = 65 km/h al sur. En este movimiento, la magnitud de la velocidad es la rapidez v^→ = 65 km/h. Esto significa que la magnitud del desplazamiento es la distancia recorrida, Δx = d (no se puede retroceder ni cruzar). Su aceleración vale 0^→.
Si el vehículo ingresa a un redondel, tendrá movimiento circular uniforme solo si mantiene constante su velocidad angular, w^→. En la práctica, el conductor debe mantener a la misma altura el pedal del acelerador, porque así logrará una rapidez constante (por ejemplo, 40 km/h mientras recorre el redondel (sin cambiar de carril, por supuesto). Sin embargo, la velocidad tangencial v^→ del vehículo sí cambia continuamente de dirección, por esta razón, el vehículo tiene aceleración centrípeta, la cual señala en todo instante hacia el centro del círculo (o redondel).
Después de estas cantidades, introducimos dos cantidades muy importantes: la fuerza y el torque. La fuerza puede cambiar de posición al objeto y mantenerle la orientación espacial (traslación) así como detenerlo. Suelta una piedra y verás que desciende sin rotar hasta detenerse. El torque, por otro lado, es el responsable de rotar los objetos, así como evitar la rotación. Cada vez que abres y cierras la llave del grifo para beber agua, aplicas dos torques en sentidos opuestos, uno apunta hacia arriba y el otro hacia abajo.
Un objeto en movimiento tiene energía cinética, si lo elevas, tiene energía gravitatoria. Si lo deformas y recobra su forma, es energía elástica.
La distancia depende de la trayectoria (recta, circular u otra). El desplazamiento no depende de la trayectoria.
Utiliza la regla de la mano derecha y encontrarás que k, y por tanto, w^→ es perpendicular a la página y apunta a ti.
Selección múltiple. Subraya la opción correcta.
Para encontrar la distancia total de una trayectoria recta que cambió de sentido, debo:
a. considerar solo la distancia recorrida en el primer sentido del movimiento.
b. sumar todas las distancias recorridas en los diferentes sentidos.
c. restar la distancia inicial de la distancia final.
Cuando la cantidad que describe el movimiento considera la distancia, la dirección y el sentido:
a. las unidades siempre se miden en metros.
b. no se puede calcular.
c. es un vector.
La distancia en línea recta que hay desde tu casa al centro educativo es la misma, independientemente de la trayectoria que elijas. Esta distancia es:
a. posición final.
b. desplazamiento o cambio de posición.
c. distancia recorrida.
El peso es la fuerza que ejerce el campo gravitatorio de la Tierra sobre cualquier objeto. Su dirección y sentido:
a. vertical y apunta hacia el centro del planeta sin importar cómo se mueve.
b. horizontal apuntando hacia afuera del círculo si el objeto gira alrededor del eje.
c. vertical y apunta hacia arriba si el objeto va subiendo.
La energía potencial gravitatoria del sistema es máxima en:
a. la posición más elevada.
b. la posición media.
c. entre la posición elevada y la posición media.
Resuelve los siguientes ejercicios.
Observa la figura. Expresa de tres maneras los vectores de posición inicial y final del perro, según el sistema de coordenadas dado.
Con vector unitario.
xi^→ =
xf^→ =
Con punto cardinal.
xi^→ =
xf^→ =
Con un ángulo.
xi^→ =
xf^→ =
La trayectoria del vehículo de la figura es rectilínea. Encuentra la velocidad y la rapidez con la información dada en la figura.
La fricción entre bloque y el suelo es despreciable. Si observas, la fuerza neta no es cero. Encuéntrala. Luego aplica la segunda ley de Newton para deducir el vector aceleración del bloque (magnitud, dirección y sentido).
a. ¿Cuál es el nombre de la energía que tiene el perro en la posición donde se encuentra? Calcula su valor.
b. Si el perro comienza a bajarse, ¿qué energía está aumentando y qué energía disminuye?
Si L = 20.0 cm, encuentra la magnitud y la dirección de los dos torques que aplica la persona en cada brazo de palanca (Sugerencia: primero sustituye el valor de L para encontrar el brazo de palanca).
Lanzamiento al espacio
La fuerza de la gravedad de la Tierra actúa a grandes distancias.
Los gases calientes son empujados hacia abajo.
Y una fuerza igual y opuesta empuja el cohete hacia arriba.
Los cohetes espaciales usan potentes motores para alejarse del suelo y liberarse de la gravedad.
Teleclase
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