Bring Science Alive! Forces and Energy| Unit 1 Lesson 1 Reference Text and ISN | Spanish by Teachers' Curriculum Institute (TCI)

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Las fuerzas y la energía

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UNIDAD 1

Fuerzas

VISTAZO GENERAL A medida que este kart corre cuesta abajo, aumenta su rapidez. ¿Qué hace que el kart aumente la rapidez? ¿Y cómo puede el conductor reducir la marcha, detenerse o cambiar la dirección del kart? En esta unidad, aprenderás sobre el movimiento de los objetos y cómo ese movimiento puede cambiar. También aprenderás sobre las fuerzas que intervienen cuando interactúan objetos en movimiento. Luego propondrás un plan para poner a prueba mejoras en el diseño de karts que permitirán que sean más seguros durante los choques.

CONTENIDO DE LA UNIDAD 1

Describir el movimiento ¿Cómo describen el movimiento los científicos y los ingenieros? Diseño de ingeniería: Necesidad de aceleración

Historia basada en fenómenos Como ingeniero recién contratado en la compañía Go Go Go-Carts, tu trabajo es analizar los diseños de los karts actuales para verificar la seguridad y el “factor diversión”. ¿Cómo usarás materiales nuevos para diseñar un kart que sea seguro y divertido para los conductores? Investigaciones Planifica y lleva a cabo una investigación en la que uses tu cuerpo para demostrar maneras de moverse con una velocidad promedio determinada.

Leer más a fondo: Acelerómetros y animales

Las fuerzas en las interacciones ¿Qué fuerzas existen entre objetos que interactúan? Diseño de ingeniería: Ingeniería para las AEV Leer más a fondo: La necesidad de volar

Efectos de las fuerzas ¿De qué manera las fuerzas afectan el movimiento? Diseño de ingeniería: Diseñar un mejor cinturón de seguridad

Investigaciones Define la fuerza y sus unidades. Aplica la tercera ley del movimiento de Newton a diferentes interacciones, a fin de diseñar un modelo para un sistema de retorno de tirolesa. Investigaciones Crea explicaciones para los efectos de las fuerzas usando la primera y la segunda ley del movimiento de Newton, y luego aplícalas a un juego estilo tejo.

Leer más a fondo: Fuerzas asombrosas de los animales Desafío de ingeniería Usa las leyes de Newton para diseñar un modelo seguro de karts que puedan soportar choques desde cualquier lado. Evaluación del desempeño Evalúa la seguridad de los karts modernos. Determina cómo la masa y la rapidez de un kart afectan las fuerzas involucradas en los choques, y considera cómo la estructura y los materiales de los karts mantienen seguros a los conductores.

Fuerzas

UNIDAD 1 Next Generation Science Standards

Performance Expectations MS-PS2-1.

Apply Newton’s Third Law to design a solution to a problem involving the motion of two colliding objects.

MS-PS2-2.

Plan an investigation to provide evidence that the change in an object’s motion depends on the sum of the forces on the object and the mass of the object.

MS-ETS1-1. Define the criteria and constraints of a design problem with sufficient precision to ensure a successful solution, taking into account relevant scientific principles and potential impacts on people and the natural environment that may limit possible solutions. MS-ETS1-2. Evaluate competing design solutions using a systematic process to determine how well they meet the criteria and constraints of the problem.

Science and Engineering Practices

Crosscutting Concepts

Disciplinary Core Ideas

Planning and Carrying Out Investigations Plan an investigation individually and collaboratively, and in the design: identify independent and dependent variables and controls, what tools are needed to do the gathering, how measurements will be recorded, and how many data are needed to support a claim.

Stability and Change Explanations of stability and change in natural and designed systems can be constructed by examining the changes over time and forces at different scales.

PS2.A: Forces and Motion • All positions of objects and the directions of forces and motions must be described in an arbitrarily chosen reference frame and arbitrarily chosen units of size. In order to share information with other people, these choices must also be shared. • For any pair of interacting objects, the force exerted by the first object on the second object is equal in strength to the force that the second object exerts on the first, but in the opposite direction (Newton’s third law). • The motion of an object is determined by the sum of the forces acting on it; if the total force on the object is not zero, its motion will change. The greater the mass of the object, the greater the force needed to achieve the same change in motion. For any given object, a larger force causes a larger change in motion.

Engaging in Argument from Evidence Evaluate competing design solutions based on jointly developed and agreed-upon design criteria. Constructing Explanations and Designing Solutions Apply scientific ideas or principles to design an object, tool, process or system. Asking Questions and Defining Problems Define a design problem that can be solved through the development of an object, tool, process or system and includes multiple criteria and constraints, including scientific knowledge that may limit possible solutions. Connections to Engineering, Technology, and Applications of Science: Influence of Science, Engineering, and Technology on Society and the Natural World • All human activity draws on natural resources and has both short and long-term consequences, positive as well as negative, for the health of people and the natural environment. • The uses of technologies and any limitations on their use are driven by individual or societal needs, desires, and values; by the findings of scientific research; and by differences in such factors as climate, natural resources, and economic conditions.

Systems and System Models Models can be used to represent systems and their interactions—such as inputs, processes, and outputs—and energy and matter flows within systems.

ETS1.A: Defining and Delimiting Engineering Problems The more precisely a design task’s criteria and constraints can be defined, the more likely it is that the designed solution will be successful. Specification of constraints includes consideration of scientific principles and other relevant knowledge that are likely to limit possible solutions. ETS1.B: Developing Possible Solutions There are systematic processes for evaluating solutions with respect to how well they meet the criteria and constraints of a problem.

Conecta lo que aprendes Todos los días interactúas con objetos en movimiento que hay a tu alrededor. Desde objetos sin vida, como los carros, hasta seres vivos, como tú mismo, los objetos en movimiento se ven afectados por fuerzas. Estas fuerzas también determinan cómo los objetos interactúan unos con otros. Al llegar a comprender cómo las fuerzas afectan a los seres vivos y a los objetos no vivos, puedes explicar muchos fenómenos diferentes en un mundo en movimiento.

Un carro en movimiento parece estar quieto, mientras que el paisaje exterior parece moverse a toda prisa. ¿Por qué los objetos que están fijos parecen moverse y los objetos que están en movimiento parecen estar quietos?

Fuerzas

Una nadadora en movimiento gira y se impulsa contra la pared de hormigón de una piscina. ¿Cómo puedes usar las fuerzas para explicar por qué y cómo la pared también hace presión contra la nadadora?

La comadreja común tiene una de las mordidas más fuertes que se haya conocido. ¿De qué manera pueden los científicos usar las fuerzas para comprender cómo un animal tan pequeño como este puede tener una mordida tan fuerte?

Fuerzas

LECCIÓN 1

Describir el movimiento ¿Cómo describen el movimiento los científicos y los ingenieros? Introducción Es el partido final del torneo de tenis. La campeona vigente espera el saque de la contrincante. Todas las miradas se concentran en la contrincante mientras arroja bien alto la pelota de tenis y levanta la raqueta. ¡Pum! La raqueta golpea la pelota y la hace volar hasta el otro lado de la cancha. Imagina que estás hablando con un amigo por teléfono mientras miras el partido. ¿Cómo describirías lo que ves? En el tenis, al igual que en todos los deportes, hay mucho movimiento. La pelota se eleva y rebota, las raquetas se balancean formando grandes arcos y cada jugador o jugadora corre de aquí para allá en su lado de la cancha. Un partido de tenis es un sistema en el que participan dos personas, dos raquetas, una pelota, una red y una cancha. ¿Qué partes del sistema nunca cambian y qué partes cambian constantemente? La red y la cancha no se mueven, nunca cambian. Las personas, las raquetas y la pelota están en movimiento la mayor parte del tiempo. Aunque estas partes cambien, el sistema en su totalidad es estable, ya que las partes que lo componen se mantienen iguales. En esta lección, primero, aprenderás a describir el movimiento de un objeto, incluidos su posición actual y cómo se mueve. Esto significa que se va a describir ese movimiento desde diferentes puntos de vista. Luego, aprenderás a describir cambios en el movimiento, incluidos el aumento de la rapidez, la disminución de la rapidez y el cambio de dirección. Usarás la terminología que aprendiste para investigar cómo los ingenieros diseñan carros con motores que están preparados para lograr la aceleración máxima y, a su vez, mantener la seguridad.

Vocabulario posición la distancia y la dirección a las que se encuentra un objeto en relación con un punto de referencia punto de referencia objeto o lugar que usas para describir las ubicaciones de otros objetos tasa una cantidad de algo medido por una unidad de otra cosa; muchas tasas describen cambios o sucesos que ocurren a través del tiempo rapidez tasa que describe la distancia que recorre un objeto a través del tiempo velocidad la rapidez y la dirección del movimiento de un objeto marco de referencia un punto de vista de la rapidez y la dirección de los objetos, y en relación con qué punto de referencia se mueven aceleración tasa de cambio de la velocidad de un objeto; la aceleración puede ser aumentar o disminuir la rapidez, o cambiar de dirección criterios requisitos que se deben cumplir para que una solución de ingeniería funcione restricciones limitaciones de una solución de ingeniería

Next Generation Science Standards Performance Expectations MS-PS2-2. Plan an investigation to provide evidence that the change in an object’s motion depends on the sum of the forces on the object and the mass of the object. MS-ETS1-2. Evaluate competing design solutions using a systematic process to determine how well they meet the criteria and constraints of the problem. Science and Engineering Practices Planning and Carrying Out Investigations Plan an investigation individually and collaboratively, and

in the design: identify independent and dependent variables and controls, what tools are needed to do the gathering, how measurements will be recorded, and how many data are needed to support a claim. Engaging in Argument from Evidence Evaluate competing design solutions based on jointly developed and agreed-upon design criteria. Crosscutting Concepts Stability and Change Explanations of stability and change in natural and designed systems can be constructed by examining the changes over time and forces at different scales.

Disciplinary Core Ideas PS2.A. All positions of objects and the directions of forces and motions must be described in an arbitrarily chosen reference frame and arbitrarily chosen units of size. In order to share information with other people, these choices must also be shared. ETS1.B. There are systematic processes for evaluating solutions with respect to how well they meet the criteria and constraints of a problem.

Describir el movimiento

1. Posición

Figura 1.1 La posición de un objeto se describe como la distancia y la dirección respecto de un punto de referencia. Si se usa la parte delantera del carro negro como punto de referencia, se extiende una recta numérica imaginaria hacia delante y hacia atrás a partir de ese punto del carro negro. Al usar esta recta numérica, ves que la parte delantera del carro rojo está a 15 m de distancia de la parte delantera del carro negro, y la parte delantera de la camioneta blanca está a –21 m de distancia de la parte delantera del carro negro.

Imagina que estás aprendiendo a conducir. Mientras conduces el carro negro del instructor por la carretera, el instructor pregunta dónde está la camioneta blanca. “La camioneta blanca está a aproximadamente cuatro carros de distancia detrás de nosotros”, le dices tú. Cuando describes la distancia y la dirección respecto de la camioneta blanca, estás describiendo la posición de la camioneta. La posición de un objeto es su distancia y su dirección actuales en relación con un punto de referencia. Un punto de referencia es un objeto o lugar que usas para describir las ubicaciones de otros objetos. El punto de referencia que usaste para describir la ubicación de la camioneta blanca era tu carro negro. Observa la Figura 1.1. Cuando describes la distancia desde un punto de referencia, puedes considerar el punto de referencia como el punto 0 de una recta numérica imaginaria. La recta numérica se extiende desde el punto de referencia hasta el objeto cuya posición estás describiendo. Describiste la posición de la camioneta blanca como a cuatro carros de distancia detrás de tu carro. “Cuatro carros de distancia” es la distancia medida desde el punto de referencia (tu carro). “Detrás” es la dirección desde el punto de referencia. La unidad de carros de distancia resulta útil cuando conduces un carro, pero no lo es en otras situaciones, por ejemplo, si quisieras describir la distancia que recorrió una pelota de tenis. La mayoría de las veces, la parte referida a la posición en relación con la distancia se expresa en unidades de longitud, como metros (m). Puedes usar números positivos o negativos para indicar en qué dirección se encuentra un objeto cuando describes su posición. Por ejemplo, el carro rojo está a +15 m del carro negro, es decir, está 15 m por delante del carro. Por otro lado, la camioneta blanca está a –21 m de distancia del carro negro, es decir, está 21 m por detrás del carro negro.

Describir la posición

La camioneta blanca es -21m del carro negro

−28 −26 −24 −22 −20 −18 −16 −14 −12 −10 −8

Lección 1

−6

−4

−2

El carro rojo está a 15 metros del carro

Usar una tasa para describir la rapidez de un objeto 12 metros 4 segundos

6 metros

2 segundos

3 metros

1 segundo

2. Rapidez y velocidad El carro rojo que va delante de ti sale de la carretera, y el camino está despejado. Pisas el acelerador para ir más rápido. “Puede ser tentador conducir demasiado rápido cuando no hay nadie delante de ti”, dice el instructor. “¿Cuán rápido vas?”. Cuando tu instructor pregunta cuán rápido vas, quiere saber cuán rápido cambia la posición del carro. En otras palabras, quiere saber qué distancia recorre el carro en una cantidad de tiempo determinada, como un segundo o una hora. La distancia que recorre el carro en una cantidad de tiempo determinada es un ejemplo de una tasa. Una tasa es una cantidad de algo medido por una unidad de otra cosa. Muchas tasas describen cambios o sucesos que ocurren a través del tiempo. Imagina que, en un concurso, un hombre ingiere, o come, 60 salchichas en 10 minutos. Su tasa de ingesta es de 6 salchichas por minuto. Sin embargo, no todas las tasas involucran un tiempo. Una tienda de alimentos puede vender sandías a una tasa de $0.70 por libra, lo que significa que una sandía de 10 libras cuesta $7.00.

Figura 1.2A La rapidez de un objeto es una tasa que describe la distancia que recorre un objeto en una cantidad de tiempo determinada. Se pueden usar flechas para ilustrar las tasas. Cada flecha representa un objeto que recorre 3 m en 1 s. Entonces, la rapidez del objeto es de 3 m/s. Después de 4 s, el objeto recorre un total de 12 m.

Rapidez La tasa que describe la distancia que recorre un objeto a través del tiempo es la rapidez de ese objeto. La rapidez es una manera de describir el movimiento de un objeto. La rapidez se puede medir con diversas unidades, pero siempre se mide en unidades de distancia por una unidad de tiempo. Por ejemplo, la rapidez de un carro suele medirse en kilómetros por hora (km/h) o millas por hora (mi/h o mph). Los científicos suelen usar metros por segundo (m/s) para describir la rapidez. La Figura 1.2A muestra cómo la misma rapidez puede representarse de diferentes maneras. En 1 segundo, la bola de boliche recorre 3 metros. En 2 segundos, recorre 6 metros y, en 4 segundos, recorre 12 metros. En todos estos casos, su rapidez es de 3 m/s.

Describir el movimiento

Velocidad positiva y negativa v = −25 m/s p = 50 m

v = 30 m/s p = −70 m v = −25 m/s p = −25 m

v = 30 m/s p = 20 m

−80 −75 −70 −65 −60 −55 −50 −45 −40 −35 −30 −25 −20 −15 −10 −5 0

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

Posición (p) = Metros (m) Velocidad (v) = Metros por segundo (m/s)

Figura 1.2B La velocidad de un objeto es la rapidez y la dirección del movimiento del objeto. La rapidez del carro amarillo es de 30 m/s, y se mueve en dirección al este. Por lo tanto, la velocidad del carro amarillo es de 30 m/s este. La rapidez del carro rojo es de 25 m/s, y se mueve en dirección al oeste. Por lo tanto, la velocidad del carro rojo es de 25 m/s oeste.

Velocidad La rapidez es una manera de describir cuán rápido se mueve un objeto, pero no indica la dirección en la que se mueve el objeto. La velocidad es la rapidez y la dirección del movimiento de un objeto. Al igual que la rapidez, la velocidad puede medirse en diferentes unidades. La velocidad de un carro generalmente se expresa en kilómetros por hora (km/h) en una dirección determinada. Podrías describir la velocidad de un corredor como 4 m/s hacia la línea de llegada, y la velocidad de un caracol es de aproximadamente 1.5 cm/min hacia el este. La velocidad de un objeto puede cambiar de un momento a otro. En lugar de intentar calcular la velocidad de un objeto en un momento determinado, puedes calcular la velocidad promedio de un objeto. Para calcular la velocidad promedio de un objeto, divides la distancia que recorrió el objeto entre el tiempo que necesitó para recorrer esa distancia. Para hallar la distancia que recorre un objeto, restas la posición inicial del objeto de su posición final. Entonces, la ecuación para calcular la velocidad promedio es: posición final − posición inicial velocidad promedio = tiempo En la Figura 1.2B, el carro amarillo se mueve de –70 m a 20 m desde la línea blanca en 3 segundos. Además, el carro amarillo se mueve en dirección positiva a lo largo de la recta numérica, hacia el este. Si usas la ecuación de arriba, puedes calcular la velocidad promedio así: 20 m − −70 m velocidad promedio = = 30 m/s este 3s Para describir por completo la velocidad del carro, debes observar la situación para hallar y nombrar la dirección en la que va el carro. Que la velocidad sea positiva o negativa te indica si el objeto se mueve hacia delante o hacia atrás. En la misma cantidad de tiempo, el carro rojo se mueve de 50 m a –25 m desde la línea blanca en 3 segundos. Se mueve en la dirección negativa hacia el oeste. Su velocidad promedio es: −25 m − 50 m velocidad promedio = = −25 m/s oeste 3s

Lección 1

3. Marcos de referencia Cuando terminas tu práctica en la clase para aprender a conducir, cambias de lugar con otra estudiante. Ella se sienta en el asiento del conductor, y tú pasas al asiento de atrás y comienzas a leer el manual de conducción. Después de un tiempo de andar en el carro, sientes un poco de mareo por el movimiento. Para no sentir más náuseas, miras por la ventana y observas el paisaje. ¿Por qué te sentías mareado cuando mirabas hacia abajo, pero no cuando mirabas afuera? El mareo por el movimiento suele ocurrir cuando lo que sientes no se corresponde con lo que ves. Mientras el carro se movía, tu cuerpo vibraba con el motor, se balanceaba al tomar una curva y rebotaba cuando pasaban por baches. Cuando mirabas el libro, tanto el libro como todo lo que veías dentro del carro permanecía en su lugar. Tus ojos le decían a tu cerebro que no te estabas moviendo porque no veías nada que cambiara de posición. Tu cuerpo sentía que se movía, pero tus ojos no veían ningún movimiento, y sentías mareos por el movimiento. Cuando mirabas por la ventanilla del carro, veías pasar árboles y edificios. El interior del carro te seguía pareciendo inmóvil, pero veías objetos afuera que se movían en relación con el carro. Tus ojos veían que te estabas moviendo, lo cual coincidía con lo que tu cuerpo sentía, y el mareo por el movimiento desapareció. Sin cambiar tu posición, viste el carro desde dos marcos de referencia diferentes. Un marco de referencia es un punto de vista de la rapidez y la dirección de los objetos, y en relación con qué punto de referencia se mueven. Cuando estás sentado dentro del carro, este parece estar quieto. Entonces, la rapidez del carro es de 0 km/h desde tu punto de vista. La carretera, los edificios y los árboles podrían estar moviéndose a –90 km/h hacia atrás. Podrías llamar a esta situación el “marco de referencia del carro”. Cuando estás parado en la carretera, no sientes que la carretera se mueve. Entonces, la carretera, los edificios y los árboles se mueven todos a 0 km/h, mientras que el carro se mueve a 90 km/h hacia delante. Podrías llamar a esta situación el “marco de referencia de la carretera”.

El movimiento se ve diferente cuando se observa desde distintos marcos de referencia. En el marco de referencia del carro, a la izquierda, los arbustos se mueven hacia atrás y el espejo del carro no se mueve. En el marco de referencia de la carretera, a la derecha, el carro se mueve hacia delante y los arbustos no se mueven.

Describir el movimiento

Figura 1.3 Tu marco de referencia determina cómo describes la posición o el movimiento. Según dónde estés sentado en el salón de clases, tendrás una perspectiva diferente del movimiento del Sr. García.

Los marcos de referencia son arbitrarios, es decir que puedes elegir qué marco de referencia usar para describir la posición o el movimiento. Pero debes usar siempre ese marco de referencia si quieres describir el movimiento de varios objetos juntos. En general, posiblemente uses un marco de referencia en el que no te mueves, porque es más fácil describir las cosas como las ves. Sin embargo, otras personas suelen usar su propio punto de vista como marco de referencia, entonces describen la posición y el movimiento de manera diferente. Por ejemplo, imagina que tu maestro está caminando desde el frente del salón de clases hacia el fondo, como se muestra en la Figura 1.3. Tanto tú como tus compañeros lo ven moverse, pero todos ustedes ven las cosas de manera diferente. ¿Por qué? El marco de referencia que usas puede determinar la manera en que describes la posición o el movimiento. Tu amiga, que está ubicada en el fondo del salón de clases, ve al maestro caminando frente a ella y hacia ella. Desde el marco de referencia de tu amiga, el maestro se mueve en dirección hacia delante y con una rapidez de 1 m/s. Pero desde la primera fila, tú ves al maestro alejándose de ti y yendo hacia atrás. Desde tu marco de referencia, el maestro camina a una velocidad de –1 m/s. Tu maestro no se está moviendo de manera diferente, pero tú y tu amiga lo describen de un modo distinto porque están usando diferentes marcos de referencia. Debido a que los marcos de referencia son arbitrarios, debes especificar qué marco de referencia estás usando para dar información a otros sobre la posición y el movimiento. Por ejemplo, imagina que tú y tu amigo están frente a frente y quieres que él mire un carro que está cerca. Podrías decir “mira el carro que está a mi derecha” o “mira el carro que está a tu izquierda”. Cuando dices “a mi derecha” o “a tu izquierda”, dices qué marco de referencia estás usando para describir la posición del carro.

Describir marcos de referencia

Veo al Sr. García alejándose de mí.

−1 m/s alejándose de ti

Lección 1

Veo al Sr. García acercándose a mí.

1 m/s acercándose a tu compañero

Concepto científico clave

La velocidad desde diferentes marcos de referencia La manera en que ves y mides el movimiento depende de tu marco de referencia. Las personas pueden tener diferentes marcos de referencia, y eso significa que pueden medir el movimiento de modos diferentes. Cuando quieren dar información sobre el movimiento de un objeto, deben también indicar el marco de referencia que están usando para medir el movimiento. Imagina que tú y tu amiga están observando la escena de abajo. Tú la observas desde la plataforma del tren y tu amiga la observa desde dentro del tren. Cada una habla por teléfono sobre lo que ve. Marco de referencia de la tierra

Le dices a tu amiga:

Oeste

Este v = 250 m/s

Según mi marco de referencia desde la plataforma del tren, veo que el tren viaja a 25 m/s hacia el oeste y que el avión viaja a 250 m/s hacia el este.

v = 25 m/s

v = 0 m/s Marco de referencia del tren

Tu amiga dice:

Oeste

Desde mi marco de referencia dentro del tren, la estación de tren viaja a 25 m/s hacia el este y el avión viaja a 275 m/s hacia el este.

Este

v = 275 m/s

v = 25 m/s

v = 0 m/s

Marco de referencia del avión

Si pudieras hablar con un pasajero del avión, el pasajero diría:

Oeste

Desde mi marco de referencia dentro del avión, la estación de tren viaja a 250 m/s hacia el oeste y el tren viaja a 275 m/s hacia el oeste.

Este

v = 250 m/s v = 275 m/s

v = 0 m/s

Aceleración positiva El carro acelera a 2 m/s2. La velocidad aumenta 2 m/s cada segundo. Velocidad (v) = 0 metros por segundo (m/s)

v = 2 m/s

v = 4 m/s

v = 6 m/s

Figura 1.4A La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad de un objeto. Este carro está acelerando porque su velocidad aumenta con el tiempo. A medida que pasa cada segundo, su velocidad aumenta en 2 m/s; entonces, la tasa a la cual cambia la velocidad del carro es de 2 m/s por segundo.

Esta imagen de exposición múltiple muestra una bola que acelera a medida que rueda por una rampa. Las exposiciones se tomaron con 0.025 segundos de diferencia, y la bola se aleja más durante cada intervalo de tiempo. Se aleja más porque su velocidad sigue aumentando.

4. Aceleración Los anuncios de carros presumen de que un carro puede ir “de 0 a 60” en solo unos segundos. ¿Qué significa eso? ¿Por qué es mejor que un carro vaya de 0 a 60 en 5 segundos que de 0 a 60 en 10 segundos? La frase “de 0 a 60” es un enunciado sobre la aceleración de un carro. La aceleración es la tasa de cambio de la velocidad de un objeto. Cuando la rapidez de un carro aumenta de 0 mph a 60 mph, su velocidad está cambiando, de modo que está acelerando. Un objeto acelera cuando su velocidad cambia. Recuerda que la velocidad es la rapidez de un objeto y la dirección hacia la que viaja. Entonces, hay tres formas de aceleración. Aumento de la rapidez Cuando la rapidez de un objeto aumenta con el tiempo, el objeto acelera. Por ejemplo, cuando un carro se mueve después de detenerse en una señal de alto, como en la Figura 1.4A, el carro acelera. Una corredora que comienza a correr con todas sus fuerzas al final de una larga carrera también acelera al aumentar su rapidez. Disminución de la rapidez Todo cambio en la rapidez es un cambio en la velocidad, por lo tanto, un objeto que empieza a ir más lento también está acelerando. Tal vez pienses que es extraño decir que un carro acelera cuando se detiene en un semáforo, como se muestra en la Figura 1.4B, ¡pero es así! Algunas veces, cuando un objeto reduce su rapidez, decimos que desacelera. Cambio de dirección Como la velocidad incluye la dirección en la cual viaja un objeto, un objeto acelera cuando cambia de dirección. Entonces, un carro que gira en una esquina y que mantiene la misma rapidez está acelerando. Un objeto también puede acelerar al cambiar de dirección y rapidez al mismo tiempo, como un carro que frena mientras gira.

Lección 1

La aceleración como tasa La aceleración es más que solo un cambio de velocidad. Es una tasa que mide el cambio de velocidad por unidad de tiempo. Esta tasa indica cuán rápido (o cuán lentamente) cambia la velocidad de un objeto con el tiempo. Cuanto más rápido un objeto cambie la rapidez o la dirección, mayor será su aceleración. La aceleración de un objeto puede cambiar de un momento a otro, al igual que su velocidad. Sin embargo, se puede calcular la aceleración promedio de un objeto. Primero, restas su velocidad inicial de su velocidad final. Luego, divides ese resultado entre el tiempo que llevó el cambio de velocidad. Escrita como una ecuación, la aceleración es: velocidad final − velocidad inicial aceleración promedio = tiempo Si observas la ecuación, ves que la aceleración tiene unidades de velocidad divididas entre unidades de tiempo. Una unidad de velocidad común es metros por segundo (m/s) y una unidad de tiempo común es segundos (s). Por lo tanto, una unidad de aceleración común es metros por segundo por segundo ((m/s)/s), que también se escribe como metros por segundo al cuadrado (m/s2). El carro de la Figura 1.4A comienza con una velocidad de 0 m/s y alcanza una velocidad de 6 m/s en 3 segundos. Su aceleración es: 6 m/s − 0 m/s aceleración promedio = = 2 m/s2 3s La rapidez del carro aumenta 2 m/s cada segundo. El carro de la Figura 1.4B comienza con una velocidad de 6 m/s y disminuye la velocidad hasta llegar a 0 m/s en 3 segundos. Entonces, la aceleración del segundo carro es: 0 m/s − 6 m/s aceleración promedio = = −2 m/s2 3s La rapidez del carro disminuye 2 m/s cada segundo hasta que el carro se detiene por completo.

Figura 1.4B Cuando un objeto disminuye su velocidad, tiene una aceleración negativa. La velocidad de este carro disminuye 2 m/s con cada segundo que pasa. Su aceleración es de −2 m/s2.

Aceleración negativa El carro desacelera 2 m/s2. La velocidad disminuye 2 m/s cada segundo. Velocidad (v) = 6 metros por segundo (m/s)

v = 4 m/s

v = 2 m/s

v = 0 m/s

Describir el movimiento

Concepto científico clave

Posición, velocidad y aceleración La posición, la velocidad y la aceleración de un caballo cambian muchas veces durante un espectáculo ecuestre. En este escenario, todo movimiento se describe desde el marco de referencia del caballo. Entonces, la dirección frente al caballo es la dirección positiva, y la dirección detrás del caballo es la dirección negativa. ¿Puedes describir el movimiento del caballo?

Leyenda Velocidad Aceleración

10 Después de la línea de llegada Después de que el caballo cruza la línea de llegada, reduce enseguida su rapidez y camina. Su velocidad disminuye rápidamente y presenta una gran aceleración negativa.

En la línea de salida El caballo está quieto nuevamente antes de comenzar el espectáculo. Su velocidad y su aceleración son cero porque el caballo no se mueve en ninguna dirección.

3 Ingresando en la pista A medida que el caballo ingresa en la pista, aumenta su rapidez a medio galope. Siempre que el caballo se mueva hacia delante (en dirección positiva), su velocidad es positiva. Sin embargo, como el caballo aumenta su rapidez, su velocidad está aumentando, y el caballo presenta una aceleración positiva.

1 Saliendo del remolque El caballo camina hacia atrás cuando sale del remolque. Camina con una rapidez de 1 m/s en dirección negativa, entonces su velocidad es negativa. La velocidad del caballo es de −1 m/s.

4 Girando en la primera esquina A medida que el caballo gira gradualmente hacia el primer salto, no cambia su rapidez. Sin embargo, como cambia de dirección, está acelerando.

Hacia la llegada Cuanto más rápido un caballo recorre la pista de obstáculos, mejor es su puntaje. Una vez que terminan los saltos, el caballo acelera rápidamente hasta alcanzar una velocidad alta a medida que se acerca a la línea de llegada. Presenta una gran aceleración positiva.

El tercer salto El tercer salto es un doble salto y, si el caballo se está moviendo demasiado rápido en el primer salto, no podrá hacer el segundo salto. El caballo va más lento a medida que se acerca al salto. Su velocidad disminuye y presenta una aceleración negativa.

7 El segundo salto El segundo salto es alto y ancho, por lo que el caballo debe ir más rápido para hacerlo. Su velocidad aumenta y el caballo presenta una aceleración positiva.

5 El primer salto El primer salto es bajo, por lo que el caballo mantiene la rapidez y la dirección. Su velocidad no cambia y, por lo tanto, el caballo no acelera.

6 Girando en la segunda esquina La segunda esquina es pronunciada; por eso, el caballo debe disminuir la rapidez. La velocidad del caballo disminuye, por lo que presenta una aceleración negativa. También acelera porque cambia de dirección.

Diseño de ingeniería

Durante una carrera de aceleración, los carros llamados dragsters parten de un punto y se mueven por una pista que solo mide 0.25 millas de largo. Para que un dragster tenga un buen rendimiento, debe poder acelerar muy rápido. Los ingenieros buscan maneras de aumentar la aceleración de los dragsters y, al mismo tiempo, mantener la seguridad de los conductores.

Lección 1

5. Necesidad de aceleración Un día, cambiando de canal mientras miras la televisión, ves una carrera de carros extraños. Tienen una parte delantera larga y angosta, un motor grande en la parte de atrás y neumáticos gruesos. Los carros reducen su rapidez durante un tramo corto de la pista y de la parte de atrás salen paracaídas después de que los carros cruzan la línea de llegada. ¿Qué tipo de carrera es esta y por qué los carros son tan extraños? La carrera con esos carros extraños es una carrera de aceleración, y los carros extraños se llaman dragsters. Durante una carrera de aceleración, dos carros corren lo más rápido que pueden en una pista que solo mide 0.25 millas de largo. Como la pista es tan corta y al comenzar la carrera los carros están quietos, un dragster debe poder alcanzar una velocidad alta rápidamente. En otras palabras, un buen dragster tiene que tener una aceleración alta. Las carreras de aceleración comenzaron en la década de 1930, cuando los adolescentes y jóvenes se reunían en carreteras y lagos secos para ver quién tenía el carro más rápido. Los primeros dragsters eran carros comunes que se modificaban para que corrieran más rápido. Hacia la década de 1950, las carreras de aceleración se hicieron más organizadas, con pistas y reglas oficiales. A medida que crecía la popularidad del deporte, los ingenieros de los dragsters comenzaron a desarrollar diseños para mejorar el rendimiento de los carros. Aunque los diseños variaban, todos tenían que cumplir con los criterios y las restricciones que los ingenieros habían acordado. Los criterios son los requisitos que se deben cumplir para que una solución de ingeniería funcione. Por otro lado, las restricciones son las limitaciones de una solución de ingeniería. Algunos criterios que debe cumplir un dragster son que debe acelerar rápidamente, debe ser fácil de controlar y debe poder llevar a un conductor. La restricción más importante de un dragster es que debe ser seguro. Los dragsters son máquinas grandes y potentes, y cualquier choque podría ser mortal para los conductores y para quienes miran la carrera cerca de la pista.

Los ingenieros experimentaron con la ubicación del motor para lograr una mayor aceleración de los dragsters en las pistas de prueba. Por ejemplo, en un diseño popular llamado slingshot (honda, en inglés), el motor se encontraba frente al conductor. El conductor se sentaba bien atrás en el dragster, detrás de las ruedas traseras. El diseño del slingshot tenía una gran aceleración y buen control. La gran aceleración que lograba ese diseño lo convertía en una buena opción que cumplía con los principales criterios de diseño de un dragster. Pero el diseño tenía limitaciones que impidieron que tuviera un uso extendido. El diseño era demasiado peligroso para el conductor. En otro diseño, el motor se encontraba detrás del conductor y estaba girado 90 grados respecto de su posición normal en los dragsters. Como el motor estaba de lado, estos carros se llamaban sidewinder (bobina de lado, en inglés). Los ingenieros pensaban que colocando el motor de lado se aumentaría la tracción de las ruedas traseras y el carro tendría una mejor aceleración. Pero la aceleración del sidewinder no fue tan buena como se esperaba. Entonces, ese diseño no cumplía con los criterios de diseño de un dragster. En otro de los diseños, ¡el dragster llevaba cuatro motores! Los motores daban al dragster una enorme potencia, pero eran pesados. Por otro lado, controlar cuatro motores al mismo tiempo era una tarea complicada. Además, los motores producían tanto humo y tantos gases que el conductor generalmente no podía ver la pista al comienzo de la carrera. Por lo tanto, los dragsters con cuatro motores no cumplían con los criterios y tampoco se ajustaban a las restricciones. Los logros y los fallos de los diversos diseños finalmente dieron lugar a la creación del diseño que se usa hoy en día. Los dragsters actuales tienen una forma similar al slingshot, pero el motor se coloca detrás del conductor. Tienen un solo motor, que no está de lado. Aunque el diseño general de los dragsters no cambia mucho, los ingenieros continúan buscando maneras de aumentar su aceleración.

Los dragsters actuales tienen elementos de diseño similares. Por ejemplo, el motor se coloca detrás del conductor por razones de seguridad.

RESUMEN DE LA LECCIÓN

Describir el movimiento Posición El movimiento de un objeto se describe en función de su distancia y dirección desde un punto de referencia. Rapidez y velocidad La rapidez y la velocidad describen cuán rápido un objeto cambia de posición. La velocidad también describe la dirección en la que se mueve un objeto. Marcos de referencia Un marco de referencia es un punto de vista que se usa para describir el movimiento de los objetos. Aceleración Un objeto acelera cuando cambia de rapidez, de dirección, o ambas. Necesidad de aceleración Los ingenieros diseñan y ponen a prueba los carros de carreras de aceleración para maximizar la aceleración y, al mismo tiempo, mantener la seguridad.

Describir el movimiento

LEER MÁS A FONDO

Acelerómetros y animales Los competidores aguardan el comienzo de la carrera que determinará cuál es el animal más rápido del mundo. El guepardo representa a los animales que corren, el halcón peregrino representa a los animales que vuelan y el pez vela representa a los animales que nadan. Se invitó participar a los seres humanos, ya que organizaron el evento. ¿Quién ganará?

¿Cuál es el más rápido de estos? Si usas la aceleración para medir cuán rápido es algo, la langosta mantis es más rápida que el guepardo, el halcón peregrino y el pez vela.

Lección 1

Antes de que comience la carrera, aparece un participante inesperado: la langosta mantis. El representante humano de la langosta anuncia: —Este animal no puede correr tan rápido como el guepardo ni nadar tan rápido como el pez vela, ¡pero es el animal más rápido de aquí! —¿Cómo es posible? —pregunta el competidor humano. El representante de la langosta explica: —Rápido puede significar alta velocidad o alta aceleración. La aceleración de las patas en forma de martillo que tiene la langosta mantis es más alta que la aceleración de cualquiera de los animales de esta competencia.

Los científicos recopilan datos del movimiento de los animales de distintas maneras. La aceleración del guepardo se midió utilizando collares con acelerómetros.

Recopilación de datos durante el movimiento A pesar de que una carrera como la que se describe sería entretenida, no podría ocurrir en la vida real. Un halcón peregrino es más rápido cuando vuela en picada por el aire y un pez vela es más rápido cuando salta desde una ola en el agua. Por eso, los científicos que estudian el movimiento de los animales deben medir la aceleración de los animales de distintas maneras. Recuerda que la aceleración es la tasa de cambio de la velocidad de un objeto. Los datos de la posición de un objeto se pueden usar para calcular la velocidad del objeto en diferentes momentos. Después se usan esas velocidades calculadas para determinar la aceleración. Una manera en que los científicos miden la aceleración de un animal es colocándole un acelerómetro. Un acelerómetro es un dispositivo que calcula la aceleración al medir los cambios en la posición. El acelerómetro reúne datos que pueden usarse para hallar la rapidez y la aceleración del animal. Para medir la aceleración de los guepardos, los científicos les colocaron collares con acelerómetros. En un estudio, los científicos descubrieron que los guepardos pueden alcanzar una aceleración de 13 m/s2. En comparación, el ganador de la medalla olímpica de oro Usain Bolt tiene una aceleración de alrededor de 9.5 m/s2, y un buen carro deportivo tiene una aceleración de entre 9 y 10 m/s2. Los pequeños dispositivos acelerómetros no interfieren con el movimiento del animal. Por ejemplo, un acelerómetro diminuto no le provoca mucha resistencia en el agua a un pez vela mientras nada. Los científicos que estudian los peces vela registraron en uno de estos peces una aceleración de casi 32 m/s2.

Un acelerómetro es un dispositivo electrónico diminuto que mide el movimiento. Puede colocarse directamente a animales como peces y aves sin interferir con su movimiento.

Describir el movimiento

¡Sonríe! ¡Te están filmando en alta velocidad! A veces, colocar un acelerómetro a un animal es difícil o poco práctico. Afortunadamente, los científicos tienen otra herramienta para medir la aceleración de los animales sin tener que colocarles nada. Esa herramienta es una cámara de alta velocidad. Una cámara de alta velocidad es una cámara de video que puede capturar muchas imágenes en un período corto. ¡Algunas cámaras pueden capturar más de 1 millón de imágenes por segundo! Para medir el movimiento de un animal con una cámara de alta velocidad, los científicos filman al animal y luego analizan las imágenes para medir la distancia que recorrió el animal. Como los científicos saben cuántas fotos se toman por segundo, saben cuánto tiempo pasa a medida que el animal se mueve. Pueden usar los datos de la distancia y el tiempo para calcular la rapidez y la aceleración del animal. Los científicos que estudiaron el vuelo en picada de los halcones peregrinos usaron una cámara de alta velocidad para recopilar datos. Usaron una cámara porque les interesaban las figuras que creaban los halcones al volar en picada y la forma que tomaba el cuerpo de las aves durante el vuelo. Pero también descubrieron que, durante parte de los vuelos en picada, los halcones alcanzaban aceleraciones de 11.5 m/s2. La langosta mantis tiene patas en forma de martillo que mueve muy rápido para aplastar los caparazones de almejas, cangrejos y otras criaturas marinas. Como las patas se mueven tan rápido, los científicos tuvieron que usar cámaras de alta velocidad para estudiar el movimiento. ¡Descubrieron que esas patas alcanzan aceleraciones de aproximadamente 104,000 m/s2! En comparación con la langosta mantis, los halcones peregrinos, los peces vela y los guepardos son muy lentos. Las patas en forma de martillo de la langosta mantis tienen un golpe potente. La aceleración de las patas es uno de los movimientos más rápidos del reino animal.

Patas en forma de martillo

Lección 1

Algunos atletas usan acelerómetros y otros dispositivos que registran el movimiento. Esos dispositivos pueden ayudarlos a mejorar su rendimiento en el entrenamiento y las competencias.

Registrar a los seres humanos Los acelerómetros no solo son herramientas que usan los científicos para estudiar cuán rápido pueden moverse los animales. También se pueden usar para registrar diferentes tipos de movimientos. Muchas personas usan acelerómetros todo el tiempo, algunas veces incluso sin saberlo. La mayoría de los teléfonos celulares tienen acelerómetros que se usan para rastrear cómo se mueve el teléfono. Las aplicaciones de los teléfonos usan la información del movimiento de diferentes maneras. Por ejemplo, algunos juegos se controlan inclinando el teléfono en diversas direcciones, y la inclinación del teléfono se mide con el acelerómetro que contiene. Las aplicaciones para buscar estrellas y planetas indican hacia qué lugar apunta el teléfono para que puedas determinar qué estrellas o planetas estás observando. Las aplicaciones funcionan gracias al acelerómetro y otros sensores del teléfono. Muchos monitores de actividad funcionan gracias a los acelerómetros. Las personas se colocan estos monitores de actividad en la muñeca o la cintura. Cuando caminan o corren, mueven los brazos y la cadera. Los acelerómetros de los monitores de actividad detectan los movimientos de los brazos o la cadera y usan esos datos para medir cuántos pasos da una persona. Algunos usan monitores de actividad para mejorar su rendimiento al correr. Pero, independientemente de cuánto use una persona un acelerómetro para entrenar, ¡nunca se moverá tan rápido como las patas de una langosta mantis! ◆

Muchos suelen colocarse acelerómetros para registrar su propia actividad. Muchos monitores de actividad usan acelerómetros para registrar la cantidad de pasos que da una persona cada día.

Describir el movimiento

En el Cuaderno interactivo del estudiante: • Pensarás en lo que ya sabes. • Tomarás notas a partir de la lectura. • Anotarás lo que descubras en cada investigación. • Mostrarás lo que has aprendido. Al final del año escolar, ¡podrás volver a mirar las páginas de tu cuaderno para recordar todo lo que exploraste en ciencias!

Cuaderno interactivo del estudiante

Las fuerzas y la energía

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CUADERNO INTERACTIVO

FUERZAS

Describir el movimiento O B S E R VA R F E N Ó M E N O S

Fenómeno: Si estás sentado en un tren que está al lado de otro tren y miras por la ventana, probablemente no sepas con certeza cuál de los dos trenes está en movimiento. 1. ¿Qué preguntas tienes sobre este fenómeno?

Describir el movimiento

CUADERNO INTERACTIVO 1 - Posición

Mira la imagen y responde las preguntas.

1. Si se usa como punto de referencia el frente del carro rojo, ¿a qué distancia está la camioneta blanca?

2. ¿Qué información pueden proporcionar los números positivos y negativos en una recta numérica?

2 - Rapidez y velocidad

1. Analiza la información de la siguiente tabla. Usa la información para calcular la tasa a la que se prepara cada cantidad de sándwiches en un período de 10 minutos. El primer cálculo se completó a modo de ejemplo.

Cantidad

Unidad de medida

Tasa

10 sándwiches

10 minutos

1 sándwich por minuto

20 sándwiches

10 minutos

30 sándwiches

10 minutos

40 sándwiches

10 minutos

50 sándwiches

10 minutos

Describir el movimiento

CUADERNO INTERACTIVO

2. Analiza la información de la siguiente tabla. Usa la información para calcular la rapidez del ciclista. El primer cálculo se completó a modo de ejemplo. Distancia (km)

Tiempo (h)

Rapidez (km/h)

10 km/h

Mira la imagen y responde las preguntas.

3. Si el carro amarillo se desplaza de –70 m a 20 m en 5 segundos, ¿cuál es su velocidad?

4. Si el carro rojo se desplaza de 50 m a –25 m en 5 segundos, ¿cuál es su velocidad?

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CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 1

1. Define posición y punto de referencia con tus propias palabras.

2. ¿Cómo puedes usar una recta numérica para describir la ubicación de un objeto?

3. ¿Por qué se necesita un punto de referencia para describir el movimiento?

4. Si una pelota recorre 20 metros en unos 4 segundos, ¿cuál es su rapidez?

5. Define marco de referencia con tus propias palabras. Da un ejemplo de cómo podrías usar distintos marcos de referencia para describir el mismo movimiento.

Describir el movimiento

CUADERNO INTERACTIVO

6. Dibuja un ejemplo en el que un objeto parezca estar moviéndose desde un marco de referencia, pero parezca inmóvil desde otro marco de referencia.

3 - Marcos de referencia

1. Describe el movimiento de objetos vistos desde tu marco de referencia tanto adentro como afuera mientras viajas en un vehículo en movimiento.

2. ¿Por qué es importante describir el marco de referencia que estás usando cuando das información sobre la posición y el movimiento?

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CUADERNO INTERACTIVO INVESTIGACIÓN 2

1. El lago es el punto de referencia en cero. Tu casa está 2 kilómetros al oeste del lago. Supón que saliste de tu casa y fuiste en bicicleta al lago. Desde allí, fuiste a la casa de un amigo que queda 8 kilómetros al este del lago. El viaje te llevó 2 horas. Calcula tu velocidad promedio.

Mira el video y responde las siguientes dos preguntas. 2. Determina la velocidad promedio de una de las personas.

3. Elige a alguien que esté caminando en dirección opuesta y determina la velocidad promedio de esa persona.

El juego de la velocidad 4. Piensa en esto como un experimento. ¿Cuál es el variable controlada, es decir, la parte del experimento que debe permanecer igual?

5. ¿Cuáles son las variables que puedes modificar?

Describir el movimiento

CUADERNO INTERACTIVO

Nombre del integrante del grupo

Posición inicial

Posición final

Tiempo

Cálculo de la velocidad promedio (Muestra el trabajo).

Describe tu movimiento

6. Completa la siguiente tabla. Cada integrante del grupo que se mueve puede completar su hilera. El cronometrador del grupo puede revisar los cálculos. Copia la información en las hileras de tus compañeros de grupo para que todos tengan la misma información.

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CUADERNO INTERACTIVO 4 - Aceleración

1. ¿Cuáles son las tres formas de la aceleración?

2. ¿Qué mide la aceleración?

3. Calcula la aceleración promedio de un carro con una velocidad inicial de 0 m/s que acelera a 9 m/s en 3 segundos.

INVESTIGACIÓN 3

1. ¿Cómo sabes si un objeto está acelerando?

2. Ilustra dos situaciones diferentes con un antes y un después. Incluye una situación que muestre mucha rapidez pero nada de aceleración, y otra que muestre poca rapidez y mucha aceleración.

Describir el movimiento

CUADERNO INTERACTIVO

3. Describe dos maneras en las que podrías mostrar una aceleración de 2 metros por segundo.

5 - Necesidad de aceleración

1. ¿Qué son los criterios?

2. ¿Qué son las restricciones?

3. En la tabla, organiza los criterios y las restricciones que deben tener en cuenta los ingenieros cuando diseñan un dragster. Criterios

Restricciones

Describir el movimiento

CUADERNO INTERACTIVO

4. ¿Qué criterio intentaban mejorar los ingenieros con el diseño del sidewinder? ¿Consiguieron lo que buscaban?

COMPRENDER LOS FENÓMENOS

Fenómeno: Si estás sentado en un tren que está al lado de otro tren y miras por la ventana, probablemente no sepas con certeza cuál de los dos trenes está en movimiento. 1. Usa lo que aprendiste para explicar este fenómeno.

Describir el movimiento