Unidad 1 INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA Desde hace mucho tiempo las personas han tratado de entender el por qué de la naturaleza y los fenómenos que en ella se observan: el paso de las estaciones, los fenómenos climáticos, el movimiento de los cuerpos y de los astros. Se han preguntado sobre la forma de interacción de las partículas y son muchas las explicaciones que desde la ciencia y la filosofía se encuentran al respecto. Así, los filósofos griegos establecían analogías entre el cuerpo humano sus relaciones y los fenómenos naturales, lo cual les permitía hacer predicciones, por ejemplo, el magnetismo podía describir la manera como las personas sienten atracción entre ellas y que no es igual para todas. Los conceptos de atracción y repulsión eran centrales en la ciencia pre aristotélica, al ser tomados como agentes fundamentales de los cambios en la naturaleza. Aristóteles fundamentó la física en cuatro principios básicos: la negación del vacío, la existencia de una causa eficiente en todo cambio, el principio de la acción por contacto y la existencia de un primer agente inmóvil, clasificó el movimiento natural y violento, dando explicación a lo que se podía observar en ese tiempo. Afirmaba que el movimiento surgía de la naturaleza del objeto, si la naturaleza del objeto era estar quieto permanecía quieto, o en caso de los objetos celestes estar en movimiento. El movimiento violento era generado por una fuerza que se imponía a un objeto para que este se moviera. En la actualidad todavía es importante el movimiento de la materia y el saber el por qué se comporta de esa manera, por eso para comprender la física y el comportamiento de cosas que día a día se observa y se interactúa con ellas, es bueno conocer que es el movimiento de un objeto y como se describe. Cuando se observa un objeto, cambiar de una posición a otra o girar en un tiempo determinado, se dice que está en movimiento, si en ese tiempo se conserva en su posición decimos que está en reposo o si se mueve con velocidad constante (cuerpos celestes), aunque se debe ser cuidadosos para definir si un objeto esta en reposo o en movimiento.
Observa el siguiente mapa conceptual y elabora un párrafo que dé cuenta de los aspectos que estudia la parte de la física denominada Mecánica.
COMPOSICIÓN DE MOVIMIENTO
Recuerda el movimiento es relativo y depende del sistema de referencia, en esta unidad se describe el movimiento de un objeto cerca a la superficie terrestre, cuando sobre él actúa la aceleración de la gravedad. Aristóteles fue el primero en hablar sobre la caída de los cuerpos e introdujo que los cuerpos caían según su peso, pero dos mil años más tarde Galileo Galilei por medio de experimentos pudo demostrar que dos objetos de diferente peso y a la misma altura caían al mismo tiempo y que las afirmaciones que hacia Aristóteles era porque la resistencia del aire intervenía en los objetos livianos. Este movimiento se puede presenciar y experimentar en diferentes tipos de eventos, antes se utilizaban armas de combate que se llamaban catapultas las cuales arrojaban rocas.
En esta unidad abordarás temáticas relacionadas con la composición del movimiento de los cuerpos, así trabajarás el movimiento en un plano y el lanzamiento de proyectiles, el movimiento circular uniforme y sus aplicaciones. Realiza las siguientes experiencias que te permitirán poner a prueba lo aprendido en esta unidad. MATERIALES • Rampa inclinada con el último tramo horizontal. • Una esfera o canica • Papel carbón. • Papel blanco. • Regla o metro • Cinta de enmascarar.
PROCEDIMIENTO
1. Coloca la rampa cerca del borde de una mesa, como lo ves en la figura. Debes asegurarte que la esfera va a salir del punto A con una rapidez inicial, solamente con una componente horizontal. 2. Mide la distancia desde el borde de la mesa hasta el piso y haz una marca. Esta es la altura de caída. 3. Pon las hojas blancas en el piso y encima de ellas pon las hojas de papel carbón. 4. Suelta la canica desde el punto máximo, teniendo en cuenta que esta caiga con una rapidez inicial desde el punto A 5. En el momento que sueltes la canica presiona el botón del cronometro para que puedas medir el tiempo de caída 6. Utiliza el metro o la regla para medir el alcance máximo. Este lo mides desde la marca que pusiste para hallar la altura hasta, el punto que marco la canica en la hoja blanca. 7. Realiza esta experiencia 5 veces para comprobar el margen de error de la experiencia. 8. Completa la siguiente tabla con los datos obtenidos y(m) caso 1 caso 2 caso 3 caso 4 caso 5
x(m)
t(s)
vix
viy
vfx
vfy
ANÁLISIS DE DATOS 1. Describe la trayectoria que efectúa la esfera. ¿Qué clase de movimiento realiza? ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ 2. ¿Cómo sería la trayectoria seguida por una esfera con mayor masa que la utilizada en esta experiencia? Argumenta tu respuesta. ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 3. Suelta la esfera desde el borde inferior de la rampa para que caiga verticalmente ¿Qué paso? Obtuviste el mismo resultado que la experiencia anterior _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 4. Completa la tabla anterior con esta última experiencia. _______________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
Unidad 2 LA ENERGÍA A TRAVÉS DE LA HISTORIA En esta unidad se abordará la temática que relaciona la energía y la materia. Casi toda la energía utilizada por la humanidad se a originado a partir de la radiación solar llegada a la Tierra. Un 96% de las necesidades energéticas quedan satisfechas por la combustión de carburantes fósiles como carbón, petróleo, y gas natural que representan la energía química almacenada en la tierra. Cuando estas fuentes se hayan agotado, se deberá buscar cada vez con mayor dedicación los carburantes nucleares (fusión nuclear y fisión nuclear), la energía de gravitación en las mareas y la energía solar.
La energía es una propiedad de los cuerpos o sistemas que se relaciona con su capacidad para producir cambios o transformaciones en otros cuerpos o sistemas, o en ellos mismos. La energía es una magnitud escalar y su unidad en el S.I. es el julio (J). La capacidad para producir cambios puede tener diferentes orígenes o estar relacionada con distintas características o situaciones del sistema. ENERGÍA CINÉTICA: Es la que tienen los sistemas por encontrarse en movimiento respecto de otros. Energía potencial Los sistemas que tienen energía debido a que dentro de ellos existen fuerzas tales que posiciones distintas de las partes del sistema implican diferente capacidad para realizar cambios se dice que tiene energía potencial. Según el tipo de fuerzas que existan entre las partes del sistema (fuerzas interiores) hablaremos de energía potencial gravitatoria, elástica o eléctrica. El sistema formado por la Tierra y un cuerpo de masa m, situado a cierta altura h, tiene energía potencial gravitatoria:
Un muelle, de constante elástica k, que se ha estirado o comprimido cierta longitud x tiene energía potencial elástica:
A las fuerzas que son la causa de la energía potencial se las llama fuerzas conservativas, porque gracias a ellas se puede "almacenar o conservar" la energía. No todas las fuerzas son conservativas: la fuerza de rozamiento o la que existe entre las partes de un muelle cuando ha perdido su elasticidad son fuerzas no conservativas. Energía interna Todos los cuerpos están formados por partículas (átomos, moléculas, iones) que se encuentran en movimiento y ejercen fuerzas entre ellas. Habrá que considerar un tipo de energía de origen "sub microscópico" al que llamamos energía interna. La energía interna depende del tipo de sustancia que forma el sistema y de su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor será su energía interna. Cuando calentamos un cuerpo aumenta su energía interna. Cuando lo enfriamos, disminuye su energía interna. Energía de la radiación Es la energía de la luz solar o de cualquier otra radiación.
ACTIVIDAD A REALIZAR Lee atentamente y responde las preguntas que se presentan a continuación Casi toda la energía utilizada por la humanidad se ha originado a partir de la radiación solar llegada a la Tierra. Un 96% de las necesidades energéticas quedan satisfechas por la combustión de carburantes fósiles como carbón, petróleo, y gas natural que representan la energía química almacenada en la tierra. Cuando estas fuentes se hayan agotado, se deberá buscar cada vez con mayor dedicación los carburantes nucleares (fusión nuclear y fisión nuclear), la energía de gravitación en las mareas y la energía solar. Las principales formas de energía en particular la mecánica que se presenta como energía cinética y potencial. El ser humano, desde sus primeros pasos en la Tierra y a través de la historia, siempre ha buscado formas de utilizar la energía para obtener una mejor calidad de vida. Para ello, ha hecho uso de diversas formas de energía: fuego (energía química), velas y molinos (energía del viento o eólica), ruedas hidráulicas (energía del agua o hidráulica), carbón (energía química), petróleo (energía química), nuclear (energía nuclear), etc. El ser humano siempre ha buscado formas de obtener energía.
Históricamente: - 350.000 a. C.: el ser humano descubre el fuego. Esto le permitió calentarse, cocinar los alimentos y alejar a las bestias.
- 9.000 a. C.: el ser humano domestica animales para poder comer y para utilizarlos como ayuda en el trabajo.
- 3.500 a. C.: el ser humano inventa la rueda, otra forma de emplear la energía en beneficio propio.
- 2.000 a. C.: el ser humano inventa la vela, una forma de aprovechar la energía eólica para navegar.
- 50 a. C.: el ser humano inventa la rueda hidráulica y el molino de viento, lo que supone una forma de aprovechar la energía hidráulica del agua y la eólica del viento.
- 1.712: se inventa la máquina de vapor. Esto supone un enorme avance en la industria y en el transporte. - 1.900-1.973: entre 1900 y 1917, el consumo de energía aumenta enormemente, siendo el carbón la principal fuente de energía.
Entre 1917 y 1973 disminuye el consumo de carbón y aumenta notablemente el de petróleo. El petróleo, además, era fuente de muchas otras sustancias. - 1.973-1.985: fuerte crisis energética: el petróleo comienza a agotarse y se comienzan a usar otras energías: nuclear, hidroeléctrica, eólica, solar, etc. Tomado de: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esofisicaquimica/impresos/quincena6.pdf
Responde las siguientes preguntas Preguntas Consulte: ¿por qué es tan importante en nuestras vidas la energía nuclear? ¿Cree que es posible transformar energía mecánica en otro tipo de energía? Explique su respuesta. Nombre cinco objetos de su casa donde se transforme la energía en trabajo. Explique. ¿Qué tipo de energía cree usted es la que produce el fuego? Cuando los carros están en movimiento están produciendo un tipo de energía. ¿Cuál es?
Respuestas
Lee atentamente el siguiente texto:. LA ALFABETIZACIÓN CIENTÍFICA: ¿NECESIDAD OBVIA O MITO IRREALIZABLE?
Algunos autores han venido a poner en duda la conveniencia e incluso la posibilidad de que la generalidad de los ciudadanos y ciudadanas adquieran una formación científica realmente útil. Se trata de artículos bien documentados que pretenden “sacudir aparentes evidencias”, como sería, en su opinión, la necesidad de alfabetizar científicamente a toda la población, algo que algunos califica de auténtico mito en el libro The Myth Of Scientific Literacy (Shamos, 1995). Conviene, pues, prestar atención a los argumentos críticos de estos autores y analizar más cuidadosamente las razones que justifican las propuestas de “ciencia para todos”. Algunos opinan que el movimiento ciencia para todos y las primeras discusiones sobre la alfabetización científica se basaban en dos ideas preconcebidas. La primera, que denomina tesis pragmática, considera que, dado que las sociedades se ven cada vez más influidas por las ideas y productos de la ciencia y, sobre todo, de la tecnología, los futuros ciudadanos se desenvolverán mejor si adquieren una base de conocimientos científicos. La segunda, o tesis democrática, supone que la alfabetización científica permite a los ciudadanos participar en las decisiones que las sociedades deben adoptar en torno a problemas socio-científicos y socio-tecnológicos cada vez más complejos. Pero la tesis pragmática, afirman sus contradictores que no tiene en cuenta el hecho de que la mayoría de los productos tecnológicos están concebidos para que los usuarios no tengan ninguna necesidad de conocer los principios científicos en los que se basan para poder utilizarlos. Hay que reconocer que ésta es una crítica fundamentada: nadie puede desenvolverse hoy sin saber leer y escribir o sin dominar las operaciones matemáticas más simples, pero millones de ciudadanos, incluidas eminentes personalidades, en cualquier sociedad, reconocen su falta de conocimientos científicos, sin que ello haya limitado para nada su vida práctica. La analogía entre alfabetización básica y alfabetización científica, concluyen, no se sostiene. Por lo que respecta a la tesis democrática, pensar que una sociedad científicamente alfabetizada está en mejor situación para actuar racionalmente frente a los problemas socio-científicos, constituye, una ilusión que ignora la complejidad de los conceptos científicos implicados, como sucede, por ejemplo, en el calentamiento global.
Es absolutamente irrealista, añade, creer que este nivel de conocimientos pueda ser adquirido, ni siquiera en las mejores escuelas. Un hecho clarificador a ese respecto es el resultado del Project 2061, financiado por la American Association for the Advancement of Sciences (AAAS), que consistió en pedir a un centenar de eminentes científicos de distintas disciplinas que enumeraran los conocimientos científicos que deberían impartirse en los años de escolarización obligatoria para garantizar una adecuada alfabetización científica de los niños y niñas norteamericanos. El número total de aspectos a cubrir, desafía el entendimiento y resulta superior a la suma de todos los conocimientos actualmente enseñados a los estudiantes de élite que se preparan como futuros científicos. Argumentos como éstos son los que llevan a autores como Shamos, Fensham, etc., a considerar la alfabetización científica como un mito irrealizable, causante, además, de un despilfarro de recursos. Ahora escribe tu opinión personal frente a: ¿Debes, pues, renunciar, a la idea de una educación científica básica para todos orientada a la participación ciudadana? _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________
Unidad 3 PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS FLUÍDOS La mecánica de fluidos, es la parte de la física que se ocupa de la acción de los fluidos en reposo o en movimiento, así como de las aplicaciones y mecanismos de ingeniería que utilizan fluidos. La mecánica de fluidos es fundamental en campos tan diversos como la aeronáutica, las ingenierías química, civil e industrial, la meteorología, las construcciones navales y la oceanografía. Dentro de las propiedades mecánicas de los fluidos se citan la presión y el volumen CONCEPTOS RELACIONADOS La presión P en un fluido es la fuerza por unidad de área ejercida por el fluido sobre una superficie:
En el sistema SI, la presión tiene unidades de Newtons por metro cuadrado (N/m2), y 1N/m2 = 1pascal (Pa). La presión en un fluido en reposo varía con la profundidad h del fluido según la expresión P= Po + pgh Donde Po es la presión en h = O y P es la densidad del fluido, que se supone uniforme. La ley de Pascal indica que cuando se aplica presión a un fluido encerrado, la presión se transmite sin disminución en todo punto del fluido y en todo punto sobre las paredes del recipiente. Cuando un cuerpo está parcial o totalmente sumergido en un fluido, el fluido ejerce sobre el cuerpo una fuerza hacia arriba llamada empuje hidrostático. Según el principio de Arquímedes, la magnitud del empuje hidrostático es igual al peso del fluido desalojado por el cuerpo: B = P (fluido)gV Es posible entender varios aspectos de la dinámica de un fluido si se supone que el fluido es no viscoso e incompresible, y que el movimiento del fluido es un flujo estable sin rotación.
Dos importantes conceptos respecto al flujo de un fluido ideal que pasa por un tubo de dimensiones no uniformes, son como sigue: 1. El caudal (flujo de volumen) que pasa por un tubo es constante; esto es equivalente a decir que el producto del área A de sección transversal y la rapidez v en cualquier punto es una constante. Este resultado se expresa en la ecuación de continuidad de fluidos:
2. la suma de la presión, energía cinética por unidad de volumen, y la energía potencial gravitacional por unidad de volumen tiene el mismo valor en todos los puntos a lo largo de una línea de flujo. Este resultado se resume en la ecuación de Bernoulli: P + 1/2pv2 + Pgy = constante
ACTIVIDADES A REALIZAR Realiza las siguientes experiencias, para ello requieres leer atentamente, conseguir los materiales y observar atentamente lo qué ocurre para así dar respuesta a las preguntas planteadas. Consigue una botella plástica con tapa. Ahora perfora la botella haciéndole un agujero un poco más abajo de la mitad, luego se llena de agua. Observa y escribe lo que ocurre.
Cuando la botella está tapada:
Cuando tienes la botella llena y la destapas:
Con la botella tapada empiezas hacer agujeros con un alfiler Escribe lo que observas:
Consigue un globo, un vaso, una vela y un plato con agua
Sigue con el proceso
Prende la vela y a una distancia de unos 7 cm aproximadamente, colocas el vaso como se muestra en la figura. DespuĂŠs de unos 30 segundos volteas el vaso y lo tapas con el globo inflado, ejerciĂŠndole presiĂłn hacia abajo y metas el globo en el plato con agua. Escribe lo que ocurre:
Ahora, toma un globo y vierte agua dentro del globo, luego Ănflalo, acĂŠrcalo a la vela encendida. Escribe lo que ocurre:
EJERCICIOS ADICIONALES
Realiza el siguiente ejercicio de aplicaciĂłn de la hidrostĂĄtica en la salud. Un motociclista tiene un accidente de trĂĄnsito en el cual pierde mucha sangre, al llevarlo al centro mĂŠdico se le tiene que administrar sangre con una densidad de 1050 kg/m3 , desde un recipiente colocado a una distancia de 60 cm por encima de su brazo. ÂżCuĂĄnto mĂĄs alta es la presiĂłn en esta posiciĂłn que si el recipiente se mantuviera al mismo nivel del brazo? Para poder solucionar este problema debes tener en cuenta que la presiĂłn del fluido en cualquier punto es directamente proporcional a la densidad del fluido y a la profundidad bajo la superficie del fluido đ?‘ƒ = đ?œŒđ?œŒâ„Ž
Escribe tu respuesta:
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Las arterias conducen el 18% de la sangre que sale del corazĂłn. Su diĂĄmetro en promedio es de 4 mm y la sangre circula a una velocidad de 0.05m/s. ÂżCuĂĄnta sangre es utilizada en metros cĂşbicos por segundo para salvar al motociclista? Realiza tus cĂĄlculos aquĂ
Para calcular la sangre utilizada, primero debes determinar el ĂĄrea de la secciĂłn trasversal arteria. đ??´=
đ?œ‹đ?‘‘ 2 4
Donde d es diĂĄmetro de la arteria.
El gasto de sangre es igual al ĂĄrea de la arteria por la velocidad del fluido. đ??ş = đ??´đ??´
La relaciĂłn de Torricelli nos permite expresar el gasto en tĂŠrminos de la altura del fluido sobre el orificio asĂ: đ?‘Ł = ďż˝2đ?‘”â„Ž
đ??ş = đ??´ďż˝2đ?‘”â„Ž
Calcula el gasto utilizado de sangre del motociclista (recuerda la distancia utilizada por encima del brazo), g es la aceleraciĂłn de la gravedad.