Ciencia al día: La ENERGÍA CINÉTICA Y POTENCIAL POR LA RUEDA DE MAXWELL

Integrantes: Miguel Rosales, Luis Ramirez, Astrid Landazuri. Prof: Jesus Briceño Número 1, Mayo de 2016.

Ciencia al día.

Energía cinética y potencial por medio de la Rueda de Maxwell.

¿Por qué se produce energía cinética y energía potencial en la rueda de Maxwell?

-Conozca un interesante proyecto experimental realizado en la ULA NURR, con el cual se determina la energía cinética y potencial.

Aprenda a elaborar una Rueda de Maxwell casera.

INDICE: CONTENIDO H

INTRODUCCION: Pág. 3 Breve texto introductorio al proyecto.

CAPITULO I: Pág. 4-5 Planteamiento del problema, formulación, objetivos, justificación.

Jkkkk

CAPITULO II: Pág. 6-7

Antecedentes, bases teóricas, términos básicos.

CAPITULO III: Pág. 8-9-10 Tipo y diseño de la investigación, prototipo 1, método de prueba.

CAPITULO IV: Pág. 11-12. Análisis de resultado, manual para el usuario.

Conclusiones.

Ciencia al día: INTRODUCCIÓN H

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E l hombre desde los cimientos de su historia, se ha encargado de conocer de una manera más explícita el medio que lo rodea, así como todos y

nada menos que las llamadas energía cinética

y

potencial,

las

cuales

se

convertirán en la principal prioridad de investigación en este trabajo.

Ambos tipos de energía se encuentran

cada uno de los fenómenos que en él se

íntimamente

desarrollan, ya sean tanto químicos como físicos,

palabras se puede explicar que una es

que es el objeto de estudio de este proyecto, la

producto de la otra y viceversa, son dos

física. El campo de la física envuelve de por sí

tipos de energía bastante comunes y están

una cantidad considerable de experiencias que

presentes en la mayoría de los fenómenos

se encargan de estudiar dichos fenómenos que

que se pueden observar constantemente,

la componen.

sin embargo muy pocos conocen de ellas.

relacionadas,

a

simples

Uno de los campos más importantes es el de

Es por ello, que en esta investigación

la energía, la energía de por sí es la responsable

se buscará desarrollar un experimento por

de todas las actividades que concurren en la vida

medio del cual, se explique netamente lo

cotidiana del hombre, la energía no se crea ni se

que se conoce como energía cinética y

destruye, solo se transforma, y es importante

potencial, y que a su vez sirve como punto

entender que existen distintas manifestaciones

de partida para la poderosa energía

de la misma, como lo es el caso de, la energía

mecánica.

eléctrica, energía solar, energía química, energía eólica, energía hidráulica, energía magnética, energía lumínica y entre muchas otras también está la llamada energía mecánica.

La energía mecánica se puede decir, que es un tipo de energía bastante característico pues ésta se define como la congruencia de otras, es decir que, ésta se produce por la suma de otras variedades energéticas, que son nada más y nada menos que las llamadas energía cinética y potencial, las cuales se convertirán en la principal prioridad de investigación en este trabajo.

La energía mecánica es el resultado de la suma de la energía cinética junto a la potencial, un claro ejemplo de esto es el trabajo producido en una montaña rusa.

Ciencia al día: CAPITULO I H

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La humanidad requiere de la energía para la realización de todas sus actividades cotidianas.

Planteamiento del problema: La energía ha sido fundamental para la humanidad a lo largo y ancho de toda su historia, pero como es evidente, en un principio el hombre no tenía la certeza de que la energía era un fenómeno físico como tal, ni siquiera se percataba de que existían, o bien existen distintas manifestaciones de la misma. Pero como es evidente el método científico, y la ansiedad por el conocimiento le fue llevando poco a poco hasta conocer por completo físicamente el medio que le rodea.

Remontándose al año 600 A.C. el filósofo griego Tales de Mileto, con sus observaciones e intensivos procesos de estudio, pudo determinar que al frotar una vara de ámbar con piel o con lana, se producían leves cargas que atraían ''milagrosamente'' pequeños objetos. Además comprendió que si se mantenía el frotamiento por un periodo de tiempo más alargado, se producían chispas. En la actual Turquía, cerca de Mileto, los antiguos griegos pudieron observar como la magnetita se veía atraída con otros trozos de hierro, de acá es donde se deriva la palabra magneto, estos razonamientos serían los primeros descubrimientos sobre el magnetismo, que deriva en la energía magnética.

Así mismo el dios de la mitología griega Eolo, es conocido por ser uno de los primeros precursores de la energía cinética, puesto a que ésta era utilizada para impulsar los barcos de velas, los cuales datan del año 33 A.C. No obstante este tipo de observaciones se han caracterizado por ser sólo eso, no más que una simple apreciación de lo que ocurre, más no una explicación de lo que se está produciendo.

No es hasta el siglo XIX que estos estudios se hacen más profundos, con Gaspard Gustave Coriolis quien en 1829 esbozó las matemáticas de la energía cinética. La energía cinética no sería definida como tal hasta que James Prescott Joules y Willian Thompson (Lord Kelvin) lo descubrieran en 1849, en sus trabajos sobre el magnetismo, el trabajo mecánico y la teoría de la energía.

Ciencia al día: CAPITULO I H

Objetivos del estudio: En la actualidad día a día, la ciencia se desarrolla de manera General: acelerada, y del modo que esto Explicar la energía cinética y ocurre, se encuentran nuevas potencial por medio de la rueda de aplicaciones para los diferentes Maxwell. tipos de energía, llegando a ocasionar una gran dependencia Específicos: de la humanidad hacia ellas. Los Describir las características de científicos y estudiadores de la energía cinética y potencial por dichas energías son quienes más medio de la Rueda de Maxwell conocen sobre ellas, pero existe gran parte de las personas que las Analizar la importancia de la desconoce como un fenómeno energía cinética y potencial por James Prescott Joule, descubridor de físico, es de esta manera que medio de la Rueda de Maxwell. la energía cinética. surgen diversas experiencias que Comparar la energía cinética y busquen explicar de manera obtenida a través de .la sencilla como es que energía se ¿Por qué se produce cinética y energía potencial potencial en la rueda de Maxwell? rueda de Maxwell manifiestan las diversas formas Comparar la energía cinética y de energía. potencial obtenida a través de .la sencilla como es que se rueda de Maxwell. manifiestan las diversas formas de energía. Y es aquí, donde se Justificación: La investigación hace realmente importante, en pretende demostrar la utilidad que este caso, el estudio de la energía tienen las transformaciones de cinética y potencial, de modo que energía en cualquier ambiente y a través de un experimento demostrar por medio de una definido se comprenda por Rueda de Maxwell donde se completo, todo lo que se analiza explicar de manera práctica y desde el punto de vista teórico, y clara como se produce o como que valga la redundancia, sea ocurre. más entendible para todos en El trabajo realizado representará general.

Existen modelos un mecanismo muy útil ya que experimentales como el de la permitirá el uso de metodologías y rueda de Maxwell que explican Eolo, Dios del Viento, precursor de la técnicas específicas que servirán perfectamente estos fenómenos energía cinética. de aporte para la determinación energéticos, lo cual es lo que se de energía cinética y potencial en busca solucionar: este caso en se representará en ¿Por qué se produce energía una rueda de Maxwell en la cual cinética y energía potencial en -5se explicará cómo se produce esta la rueda de Maxwell? energía.

Ciencia al día: CAPITULO II H

Antecedentes: Como principales antecedentes para la realización de este tipo de experimentación, pueden ser tomadas en cuenta distintas prácticas de laboratorio en las cuales se aplica la rueda de Maxwell de manera mucho más técnica, no obstante, existen otras actividades prácticas en las cuales se manifiesta la energía cinética y potencial o propiamente dicho, donde se exprese la conservación de energía: TRANSORMACION DE ENERGIA CON PELOTAS. Al cortar un trozo de plástico de una botella, con el cual se debe fabricar un pequeño tubo cuyo diámetro tendrá que ser igual al de una pelota más grande. Con cinta adhesiva se pega el tubo para que no se desarme, y luego se pega la pelota en un extremo.

Ahora una pelota más pequeña debe dejarse caer desde una altura “A” que escoja. Se observa hasta que altura rebota. Luego se coloca la pelota más pequeña dentro del tubo, y se deja caer todo desde la misma altura “A”.

Ocurriendo que, la pelota pequeña ha rebota hasta una altura mucho mayor que cuando cayó sola.

Así como este existen muchos otros ejemplos de aprendizaje didáctico para la transformación de la energía.

Con respecto a los antecedentes que engloban el descubrimiento de la energía cinética y potencial, se pueden enmarcar los siguientes: -En el año 33 A.C. el Dios griego Eolo, implementaba la energía cinética para el impulso de barcos de vela. Mas no se centró en su estudio como tal.

- En 1829, Gaspard Coriolis dedujo las fórmulas matemáticas para el estudio de la energía cinética.

-En 1849, bajo el estudio del trabajo mecánico, y la teoría de la energía James Joule y Lord Kelvin descubrieron la energía cinética.

Willem´s Gravesande, estudió el impacto que producían las bolas de distintos pesos al caer sobre un lecho de arcilla blanda y él observó que la huella cambiaba en función del peso y de la altura desde la que caían.

Con esto descubrió que las bolas más pesadas y que eran tiradas desde lo más alto eran las que tenían y liberaban más energía potencial.

Galileo Galilei experimentó con los objetos que caían rodando por pendientes. En esa época no se conocía el concepto de energía, pero él parecía intuir la existencia de una energía potencial

La energía de los músculos de los soldados romanos se acumula en la catapulta en forma de energía potencial. Cuando se dispara la catapulta, ésta hace uso de toda esa energía que se acumuló y lanza un proyectil al enemigo. Ésta hace uso de la energía potencial elástica.

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Ciencia al día: CAPITULO II H

Bases teóricas: Energía: es un concepto bastante antiguo, el cual ha pasado por infinitas definiciones a lo largo del tiempo, no obstante en la actualidad, y de manera generalizada, esta se define simplemente cómo la capacidad que poseen los cuerpos para ejecutar una acción, un trabajo; y que a su vez le permite producir cambios en dichos cuerpos (ellos mismos), o incluso modificar el estado de otros.

Energía cinética: de un cuerpo es aquella energía que dicho cuerpo adquiere debido a su movimiento. Esta se define como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa determinada desde el reposo hasta la velocidad indicada. Al conseguir esta energía cinética, el cuerpo la mantiene salvo que cambie su velocidad o se le aplique una aceleración. Para que el cuerpo regrese a su estado de reposo se requiere un trabajo negativo de la misma magnitud que su energía cinética, es decir, una desaceleración.

La fórmula elemental para el cálculo de la energía cinética (Ec) en trabajo mecánico es la siguiente: 1/2*m*V^2. Donde m, representa la masa del cuerpo en kg y V, representa a velocidad del cuerpo en m/s.

Energía potencial: es la energía que mide la capacidad que tiene dicho sistema para realizar un trabajo en función de su posición.

La energía Potencial se debe principalmente a la altura que experimenta un cuerpo de masa determinada.

Un objeto puede tener la capacidad para realizar trabajo como consecuencia de su posición en un campo gravitacional (energía potencial gravitacional),

Gravitacional) un campo eléctrico (energía potencial eléctrica), o un campo magnético (energía potencial magnética). La fórmula de Ep es m*g*h, donde m, es la masa del cuerpo, g la gravedad, y h la altura, su posición.

Uno de los tipos de energía potencial más utilizada es la energía potencial elástica, este tipo de energía es que la que almacena un objeto por el hecho de estar deformado, cuando un resorte se comprime, almacena la energía potencial, y al descomprimirse la libera por completo. Su fórmula es ½*k*x^2, donde k es la constante del resorte que puede comprimir una fuerza dada en una distancia determinada, y X, que representa la distancia que se comprime en el momento.

Energía mecánica: es la que se rige por la posición y movimiento de un cuerpo, en pocas palabras, es la suma de la energía potencial y eléctrica.

Ley de conservación de energía: ilustra que para un sistema físico que no sea vea afectado por otro, la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma o se conserva.

James Clerk Maxwell: fue un físico británico conocido principalmente por haber desarrollado la teoría electromagnética clásica, sintetizando todas las anteriores observaciones, experimentos y leyes sobre electricidad, magnetismo y aun sobre óptica, en una teoría consistente.

La rueda de Maxwell: Es un sencillo dispositivo que ilustra la conservación y transformación de la energía.

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Ciencia al día: CAPITULO III H

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La investigación experimental se basa principalmente en, la observación, y la relación causa-efecto entre dos variables.

Tipo de investigación: De acuerdo el estudio realizado, ésta investigación está enmarcada dentro de la modalidad de investigación explicativa, ya que va más allá de la descripción de conceptos o fenómenos, es decir, se basa en responder a las causas de los eventos y fenómenos físicos o sociales. Según el autor (Fidias G. Arias (2012), define: La investigación explicativa se encarga de buscar el porqué de los hechos mediante el establecimiento de relaciones causa-efecto. La investigación se centra en explicar por qué ocurre la energía cinética y potencial en la rueda de Maxwell y en qué condiciones se manifiesta. Es por ello que en éste proyecto se utiliza éste tipo de investigación.

Diseño de la investigación: La investigación experimental es un proceso que consiste en someter a un objeto o grupo de individuos, a determinadas condiciones, estímulos o tratamiento (variable independiente), para observar los efectos o reacciones que se producen (variable dependiente). De allí que la variable independiente sea la rueda de Maxwell, ya que es la causa que generan y explican los cambios en la variable dependiente, donde ésta constituye los efectos o consecuencias que se miden y dan origen a los resultados de la investigación, por lo tanto la variable dependiente es la energía cinética y potencial.

Ciencia al día: CAPITULO III H

FASE DE DISEÑO DEL PROTOTIPO, ¿Cómo elaborar una rueda de maxwell?

Para su elaboración se necesitan los siguientes materiales:



Una

base

de

 adherible blanca.

madera rectangular de 28cmx14,5cm.





Dos barras de madera

Cinta



Caja circular

delgadas de 30,5cm. Otra barra de madera

pequeña

de 19,5cm.

Maxwell”.

de



Pintura al frio roja.

plástico

“Rueda

de

Un palillo para pinchos.



Un taladro para anclar las barras de madera a la base



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Dos cuerdas de hilo pabilo.



Ciencia al día: CAPITULO III H

-10Para la realización del prototipo:

Método de prueba:

1- En la base de madera, se tomó una distancia de 30cms y se marcó con un lápiz dos círculos con el tamaño de las barras para introducirlas a la base.

2- Se pintaron las tres barras de color rojo.

3- A la espera de que se secaran las barras, se taladró en los círculos marcados para luego introducirlas a la base de madera.

4- Se colocó fijamente la tercera barra por encima (en la parte superior) de las otras dos que se encuentran a la misma altura, se sellaron las esquinas de ésta a las otras dos con la cinta blanca adherible.

5- Se prosigue a la elaboración de la rueda. La caja circular pequeña de plástico toma el lugar de la llamada rueda de Maxwell; Se introduce el palillo para pinchos en la “rueda” atravesando el centro de la misma quedando fija, luego se recortan las esquinas del palillo para que la rueda quede específicamente en el centro de este.

6- Con las cuerdas de hilo pabilo se amarran y se sujetan en el palillo a cada lado de la rueda y así mismo con los otros extremos de las cuerdas se sujetan linealmente en el centro a la barra fija que se encuentran en la parte superior fijada a las otras dos barras, de modo que quede bien amarrado y simétrico.

Al ser enrolladas las dos cuerdas de hilo pabilo en su mismo eje hasta una altura máxima se puede apreciar la energía potencial en ese punto y al ir desenrollándose en esa posición inicial a la altura máxima, la rueda va girando mientras cae verticalmente produciéndose así la energía cinética.

Llegando a ser máxima al alcanzar el punto más bajo de su trayectoria

Materiales utilizados.

presentando la energía potencial mínima), hasta que llega a un tope en el que rebota y vuelve a subir enrollándose las cuerdecitas de hilo pabilo, volviendo a cambiar de energía en esta posición con altura máxima en energía potencial, cada vez haciéndose más baja la posición máxima de altura y así el traspaso de energías se invierte hasta llegar a su punto de inicio, que se detiene completamente.

La base armada.

Rueda de Maxwell finalizada.

Ciencia al dĂ­a: CAPITULO IV H

AnĂĄlisis de los resultados: Una vez que es ejecutado el mĂŠtodo de prueba, y de observar el movimiento sube y baja (yo-yo), se puede determinar que, esto se debe a que al ganar considerable altura, la rueda se carga de energĂ­a, en este caso, energĂ­a potencial, y una vez que se suelta, dejĂĄndose caer por completo, dicha energĂ­a se libera, y al descender y ganar velocidad se transforma en energĂ­a cinĂŠtica, la cual estĂĄ caracterizada por fomentarse al producirse la velocidad. No obstante, la rueda sigue subiendo y bajando por unos cuantos minutos, dĂĄndose repetidas veces la transformaciĂłn de energĂ­a potencial a cinĂŠtica. En este proceso, la energĂ­a potencial es de dos tipos, en primer lugar es gravitacional cuando gana altura, y por otra parte es rotacional, al girar simultĂĄneamente sobre su propio eje.

Si esto se analiza desde la perspectiva energĂŠtica, se trata de la conservaciĂłn de la energĂ­a en todo su esplendor, el sistema que no se ve alterado por otro externo, experimenta constantemente el cambio de e. potencial a e. cinĂŠtica y asĂ­ sucesivamente.

No obstante para determinar cuĂĄl es, por ejemplo, la velocidad en el punto mĂĄs bajo, debe de considerarse que el sistema no se encuentra en equilibrio, es decir que la variaciĂłn de la energĂ­a mecĂĄnica, en el punto mĂĄs alto (energĂ­a potencial mĂĄxima, velocidad 0) menos la energĂ­a en el punto mĂĄs bajo (energĂ­a potencial mĂ­nima, velocidad determinada) deberĂĄ de ser igual, a la suma del trabajo de fuerzas no conservatorias que actĂşen sobre la rueda.

En este caso, la fuerza no conservatoria, serĂ­a la generada por los hilos con

Esquema de lo ocurrido en el experimento.

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con respecto a la rueda, es decir, la fuerza de tensiĂłn.

Otro punto bastante interesante a tomar en consideraciĂłn es, que a medida que la rueda va ganando velocidad, o la energĂ­a cinĂŠtica que gana, no solo deduce en tĂŠrminos de ½*m*v^2, sino que como la rueda va girando sobre su centro de masa, tambiĂŠn estarĂ­a siendo aplicada cierta velocidad angular, dada por ½*Ic*đ??Žđ?&#x;? , siendo varias las condiciones bajo las cuales trabaja la rueda.

Desde el punto de vista dinĂĄmico, el cuerpo, la masa, la rueda, solo se mueve en la direcciĂłn del eje y, por lo que la sumatoria de las fuerzas en y, serian iguales a la resta del peso (m*g) que se mueve en el sentido de la direcciĂłn, hacia abajo, menos las dos fuerzas de tensiĂłn, que van en el sentido opuesto.

Y dicha sumatoria de fuerzas en el eje, serian finalmente iguales a la masa del sistema x su aceleraciĂłn.

La energĂ­a cinĂŠtica y potencial, se producen en la rueda de Maxwell entonces, porque la masa es sometida a las condiciones bajo las cuales se genera este tipo de energĂ­a que es tan caracterĂ­stico.

Ciencia al día: CAPITULO IV H Conclusión:

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Características: El dispositivo como ya se dijo, consta de una tabla de 28cmx14.5cm, en la cual se encuentran sujetos dos trozos de madera en forma cilíndrica que están separados a los extremos de la tabla, el dispositivo mediante la presencia de una rueda e hilo pabilo permite la apreciación de las energías cinética y potencial en todo su esplendor.

Ventajas: Por medio de la aplicación de esta experiencia se puede corroborar el aprendizaje didáctico de la energía cinética y potencial, que puede ser utilizada por cualquier profesor en esta área del conocimiento científico.

Limitaciones: Al momento de realizar el enrollado del hilo para la ganancia de energía potencial, debe realizarse con bastante delicadeza, de manera que no se descuadre la posición del hilo en algún instante, si esto ocurre, al dejarse caer la rueda comenzara a girar de manera ciertamente descontrolada.

La experiencia se elaboró con el principal objetivo de demostrar prácticamente la manifestación de la energía cinética y potencial de manera interactiva, consiguiéndose así unos resultados bastante acordes en cuanto a lo esperado, en pocas palabras se logró plasmar perfectamente la manifestación de la energía cinética y potencial, a través de la famosa Rueda de Maxwell.

El trabajo se fundamentó en magnificar la gran importancia de estos dos elementales tipos de energía, que son bastante comunes en la vida cotidiana, en parte ocasiones en las que es bastante común observar esto, es cuando los ciclistas suben pendientes, a medida que se aproximan a la cima se cargan de la potencia, y al descender aprovechan la transformación a energía cinética, lo que les permite tomarse un descanso, así como ganan velocidad correspondiente.

La energía mecánica es por ende, el eslabón para la comprensión de otras más complejas. La cual se manifiesta dependiendo, de la posición, velocidad, fuerza y otras condiciones que actúen sobre el cuerpo estudiado.

La energía eléctrica es generada, por la corriente de ríos y grandes masas de agua, que no son más que un principio de energía cinética y mecánica.

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Descripción de la advertencia: En lo único que se debe tener bastante precaución al momento de realizar la Rueda de Maxwell, es al taladrar los dos orificios en los cuales van depositados los dos trozos altos de madera, esto en el caso de que se esté trabajando con niños que quieran aprender a realizar la experiencia.

Recomendaciones y garantía: Puede probarse con otros tipos de hilo al probar esta experiencia, aunque no se recomienda el hilo Nilo ya que en algunas ocasiones no se desenrolla en el sentido deseado, arruinando la experiencia. En cuanto a la garantía, a lo largo de este trabajo se demuestra que por medio de la Rueda de Maxwell se puede explicar la manifestación de la energía cinética y potencial.

Referencias bibliográficas: Bragado, M. (2003). Física general. Caracas Macedo, S. (2011). Introducción a la física. 4to. Año de secundaria. Colegio La Inmaculada.

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