FUERZAS Y MOVIMIENTO
MOVIMIENTO Experiencia Generadora CARRERA DE MOVI BRAINS La carrera consiste en competir con móviles sobre una pista especialmente diseñada. El factor más importante para ganar es acopiar la mayor cantidad de “Píldoras de Información” o PIN´s, las que servirán al final del recorrido, para resolver colectivamente un cuestionario. Hay que ponerle inteligencia a la carrera para lograr hacer de la vivencia, una experiencia inolvidable de aprendizaje. Por esa razón se llama carrera de MOVIBRAINS que en inglés se entendería como “Cerebros en acción”. Previamente al inicio de la carrera, cada grupo debe determinar cuál será la trayectoria de su MOVIBRAIN, pues la pista presenta varias opciones. De igual forma, deben registrar el tiempo en que inicia la carrera y el tiempo de llegada, lo que les permitirá calcular el tiempo total que emplearon. Con ayuda del plano de la pista que se presenta, es posible saber la longitud de la trayectoria elegida o lo que es lo mismo, el espacio recorrido. En consecuencia, se podrá determinar la velocidad promedio del MOVIBRAIN en la carrera.
Reglas de la competencia: 1) Formar cinco grupos de estudiantes. Cada integrante correrá el MOVIBRAIN por turnos, uno seguido del otro, de modo que cada tiro consecutivo lo ejecuta un estudiante distinto. 2) El MOVIBRAIN debe procurar “pisar y detenerse” en las zonas donde gana PIN's, señaladas con un número en la pista. Cada PIN lograda y leída vale 5 puntos, teniendo la posibilidad de ganar hasta 40 puntos. 3) El orden de llegada de móviles agrega puntos: 1º: 10 p. 2º: 7 p. 3º: 5 p. 4º:3 p. 5º: 1 p. Cada choque en la pista quita 5 puntos. Si el móvil se sale de la pista, pierde 5 puntos y vuelve a la posición inmediata anterior. 4) El cuestionario resuelto en grupo sobre las PIN's vale 50 puntos. Cada estudiante debe responder su cuestionario, aunque las preguntas se discutan y respondan en colectivo. 5) El puntaje total, en el mejor de los casos, llega a 100 puntos, que equivale a una nota de 20.
Circuito: Se muestra en la lámina adjunta. El plano total es de 2 x 1.2 mt.
Móviles: Emplear carritos de juguete de carrera libre (no a presión). Colocar en el techo del móvil, una caricatura del cerebro y el nombre “MOVIBRAIN”.
Información a entregar: Píldoras de Información (PIN) A continuación aparecen los distintos PIN´s que se entregarán conforme vaya avanzando el MOVIBRAIN.
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Patronato Civil por la Calidad Educativa Regional PÍLDORAS DE INFORMACIÓN (PIN) PIN 1 El MOVIMIENTO puede definirse como un cambio continuo de la posición. La Cinemática es la parte de la ciencia física dedicada a estudiar las leyes del movimiento, sin tener en cuenta las causas que lo producen, limitándose, esencialmente, al estudio de la trayectoria del cuerpo que se mueve, en función del tiempo. La VELOCIDAD es el ritmo con que un cuerpo cambia su posición. La ACELERACIÓN es el ritmo con que cambia su velocidad. La velocidad y la aceleración son las dos principales cantidades que describen cómo cambia un cuerpo su posición en función del tiempo. PIN 2 En cinemática lo que hacemos es ver cómo se mueve un cuerpo. Ese cuerpo puede ser un coche, un pájaro, una nube, una galaxia, lo que sea. Ver cómo se mueve un cuerpo significa para la física saber dónde está, qué velocidad tiene, y si esta velocidad cambia o es todo el tiempo la misma. Posición, velocidad y aceleración son tres conceptos que tienes que conocer bien porque se usan mucho y son la base para muchas otras cosas interesantes.
PIN 3 Observa el ejemplo de la figura: El lugar en donde está el cuerpo que se está moviendo (el auto) se llama Posición: Xauto=10 metros. Se usa la letra “x” porque se toma como referencia el eje horizontal denominado “eje x”.
xauto = 10 metros vauto = 60 Km/hr POSICIÓN Y VELOCIDAD 10 metros
Si el cuerpo esta en una determinada altura del piso se usa un eje vertical, denominado “ eje y” (la altura se indica con la letra y).
PIN 4
Y POSICIÓN del pájaro y
X
= 5 metros
X e Y se llaman coordenadas del cuerpo. Dar las coordenadas de una cosa (por ejemplo de un avión) es una manera de decir dónde está el objeto en ese momento. EJEMPLO: En la figura se tiene un pájaro a 5 metros de altura con respecto al suelo. Para dar su posición, se toma un eje vertical Y que parte del nivel del suelo. Con respecto a este eje digo: la posición del pájaro es y = 5 metros.
PIN 5 Los elementos básicos de la Cinemática son: espacio, tiempo y móvil o cuerpo en movimiento. Diariamente escuchamos los conceptos de rapidez o velocidad, y aceleración. Si un móvil se desplaza de un lugar a otro recorriendo un Espacio total “x” en un tiempo “t”, entonces su Velocidad Media “vm” se determina dividiendo el espacio total entre el tiempo. La llamamos velocidad media porque estamos tomando sólo los puntos final e inicial para hacer los cálculos. Así la fórmula para calcular la velocidad media de un móvil es:
vm=x/t PIN 6 Aceleración En general, la velocidad de un cuerpo varía con el transcurrir del tiempo. Supongamos que en un instante t1 la velocidad del móvil es v1, y en el instante t2 la velocidad del móvil es v2. Se denomina aceleración media entre los instantes t1 y t2, al cociente entre el cambio de velocidad (v1 - v2) y el intervalo de tiempo en el que se ha tardado en efectuar dicho cambio (t2 – t1). Así la fórmula para calcular la aceleración de un móvil denotada con la letra “a ”es:
a = (v2 – v1) / (t2–t1)
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FUERZAS Y MOVIMIENTO
PIN 7 Movimiento rectilíneo Se denomina movimiento rectilíneo, cuando la trayectoria descrita por el móvil es una línea recta. t Negativo –
Positivo +
X O
X
En la recta se ubica un punto de origen O, donde estará situado un observador, que medirá la posición del móvil X en el instante t. Las posiciones serán positivas si el móvil está a la derecha del origen y negativas, si está a la izquierda del origen. PIN 8 Trayectoria
Parábola
Recta
La palabra trayectoria para la física significa lo mismo que en la vida diaria. Circunferencia
La trayectoria es el camino que recorre el cuerpo mientras se mueve. Puede haber muchos tipos de trayectorias. Fíjate en la figura: lo móviles describen trayectorias en forma de una recta, de una parábola, de una circunferencia, de una elipse. Una trayectoria no tiene por qué ser algún tipo de curva especial. Puede tener cualquier forma.
Elipse
Pista de la Competencia: 100 cm
C
3
4
20
cm
50 cm
3 C 20
120 cm
cm
C
B
40 cm
B
70 cm
B
D
4
D
15 cm
20 cm
60 cm
G
3 D
F
4 E 10 cm
40 cm
5 H
E 40 cm
E
15 cm
5
20 cm
F 20 cm
5
F
G
6
40 cm
15 cm
6 2
60 cm
J J
80 cm
7 A
K
80 cm
50 cm
1
8
PARTIDA
LLEGADA
Circuito VERDE
+
Zonas de Partida y Llegada
505 cm
Circuito NARANJA
+
Zonas de Partida y Llegada
400 cm
Circuito CELESTE
+
Zonas de Partida y Llegada
420 cm 05
Patronato Civil por la Calidad Educativa Regional Tramo de la trayectoria Circuito: ............. A B C D E F G H J K
Velocidad aproximada por tramo Espacio (cm) 80
Tiempo
Velocidad
Detalle
Datos
Hora de partida
t1
Hora de llegada
t2
Espacio recorrido
e Cálculos
Tiempo total
t = t 2 – t1
Velocidad media
vm = et
50
Cuestionario Final: MOVIBRAINS Nombre:
Fecha:
Puntaje obtenido:
Lee atentamente las situaciones planteadas y resuelve las preguntas. En el caso de opciones de respuesta, puede haber más de una opción correcta. Cada situación resuelta vale 6 Puntos. Puedes alcanzar hasta 42 puntos + 8 puntos si se logró un buen trabajo en equipo.. 1. Si un objeto cambia de posición, se puede decir que se ha producido un ……………………………. . 2. La velocidad y la aceleración se relacionan entre sí porque: a) Ambas tienen que ver con el ritmo de cambio de un cuerpo. b) La aceleración cambia pero la velocidad es constante. c) La velocidad es mayor que la aceleración. d) Ambas toman como referencia el tiempo. e) Ambas consideran el espacio recorrido por el móvil. 3. ¿Para qué sirve conocer la posición, la velocidad y la aceleración de un cuerpo?
4. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones se pueden considerar correctas para indicar la posición de un ómnibus de transporte interprovincial, denominado “BUS” que ha partido del terrapuerto de Arequipa hacia Lima? a) Se encuentra corriendo a mayor velocidad de la permitida. b) El BUS tiene una aceleración de 50 Km/hr2. c) El BUS ha salido siendo las 10 horas. d) El BUS se encuentra a 100 km. del terrapuerto. e) El BUS ha llegado a la ciudad de Camaná a las 13 horas y mantiene una velocidad de 70 Km/hr. 5. En la figura que se presenta, ¿que necesitaria saber para indicar la posicion del avion empleado en el eje y? a) La velocidad del vuelo. b) El peso del avión. c) La distancia entre el avión y la nube. d) La altura de la casa. e) La distancia del suelo al avión.
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Y
FUERZAS Y MOVIMIENTO
6. El carro de la figura ha recorrido 10 000 metros cuesta arriba, en 50 minutos. ¿Cuál será su velocidad media en ese tramo de su recorrido, expresada en “metros/minuto” y en “Kilómetros/hora”? Velocidad en mt/min = Velocidad en Km/hr = 7.
Dibuje la trayectoria de los siguientes móviles: a) b) c) d) e)
Una cometa en pleno vuelo. Un ciclista que cruza el Puente de Fierro. Una pelota de basket lanzada desde la línea de tiro hasta encestar. Un avión aterrizando. Una pelota de fútbol que entra al arco por una patada de tiro libre.
Lectura Generadora ACCIÓN Y REACCIÓN Se puede hablar de “acción y reacción”, en el campo de las relaciones humanas. Por ejemplo: una acción violenta, por lo general provoca una reacción también violenta en las personas afectadas; o, la acción de contar un buen chiste, provocará una reacción de risas y carcajadas en las personas que lo escuchan. Se podría decir, que en la vida cotidiana, cualquier acción provoca una reacción; e incluso la inacción también provoca reacción. Por ejemplo. Un joven se enfada por la indiferencia de la chica que le gusta, a pesarde todos sus esfuerzos por conquistarla. A la base de todo esto, existen fuerzas de naturaleza subjetiva, ligadas a sentimientos, deseos, a la personalidad, a logros y frustraciones, que difícilmente se pueden medir o calcular matemáticamente, pero que están allí, determinando acciones y reacciones en las personas. En el campo de la ciencia Física, también ocurre el hecho de que toda acción produce una reacción, pero en este caso se trata de fuerzas físicas, de velocidades, de masas y aceleraciones, que obedecen a las llamadas leyes del movimiento, y que por tanto se pueden medir y calcular matemáticamente. Al igual que en las relaciones humanas, este tipo de acciones y reacciones, son muy importantes, pues de ellas depende la dinámica del mundo físico y sus implicancias en lo económico, en lo ecológico y en las distintas esferas de la vida humana. Fue Isaac Newton (1642-1727), científico renombrado que publicó, entre otras, las tres leyes básicas del movimiento que explicaremos a continuación con ejemplos muy prácticos de nuestra vida cotidiana.
Movimiento
Conviene primero precisar ¿qué se entiende por Fuerza? En física, Fuerza es cualquier acción o influencia que modifica el estado de reposo o de movimiento de un objeto. Es capaz entonces de modificar la velocidad, imprimir aceleración, cambiar de dirección o sentido al movimiento de un cuerpo. Conozcamos ahora las 3 leyes de Newton.
Masa Fuerza
Primera ley de Newton: Ley de la inercia Inercia es la tendencia que tienen todos los cuerpos a permanecer en su estado de reposo o movimiento. La masa es una medida de la inercia, cuanta más masa, más inercia. Dicho de otra manera, cuanta más masa tenga un cuerpo más difícil será cambiar su estado de reposo o de movimiento. La 1º ley de Newton establece que un cuerpo se mantiene en reposo o posee un Movimiento Rectilíneo y Uniforme, cuando sobre él no actúa ninguna fuerza; o, cuando sobre él actúan fuerzas que están en equilibrio, es decir, que se anulan.
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Patronato Civil por la Calidad Educativa Regional El siguiente ejemplo ayuda a comprender esta ley. Cuando vas a bordo de tu bicicleta en movimiento rectilíneo uniforme, es decir a velocidad constante, y de repente frenas por no atropellar a un perro, por ejemplo, ... ¿qué sucede?. Por la inercia, tu cuerpo trata de seguir hacia delante, y por eso, a pesar de que la bicicleta se detuvo, tú sales disparado, como ilustra la figura. Pasas lo mismo cuando el microbus está parado y arranca repentinamente, sus pasajeros tienden a irse hacia atrás, y si el conductor acelera o disminuye la velocidad los pasajeros se inclinan según sea el caso, hacia atrás o hacia delante; es decir tienden a mantener su velocidad constante por efecto de la inercia. Segunda Ley de Newton: Cuantificación de la fuerza Siempre que una fuerza “F” actúe sobre un cuerpo de masa “m”, produce una aceleración “a” en la dirección de la fuerza, que es directamente proporcional a “F” pero inversamente proporcional a “m”.
m
La unidad de fuerza en el Sistema Internacional, es el Newton y se representa por N. Un Newton es la fuerza que hay que ejercer sobre un cuerpo de 1 kilogramo de masa para que adquiera una aceleración de 1 metro sobre segundo al cuadrado, o sea:
a
F
m
Tanto la fuerza como la aceleración, son magnitudes vectoriales, Esto significa que además de un valor determinado, tienen una dirección y un sentido, lo que se indica empleando una flecha . De esta manera, la 2º ley de Newton se expresaría así:
a
F
1 N = 1 Kg . 1 m/s2
Tercera ley de Newton: Principio de acción y reacción
Cuerpo A: los niños ACCIÓN
Cuerpo B: la soga REACCIÓN
Cuando un cuerpo A ejerce sobre otro cuerpo B una cierta fuerza (acción), el B ejerce también sobre el A una fuerza del mismo valor y dirección, pero de sentido contrario (reacción). (Ver Figura). Con esta ley descubrimos dos cosas importantes:
“Fuerza de agarre”
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1) Las fuerzas siempre se presentan en parejas de acción-reacción, es decir se puede hablar de interacciones o pares de fuerzas.
FUERZAS Y MOVIMIENTO
2) Las fuerzas de acción- reacción nunca pueden equilibrarse entre sí, porque actúan sobre cuerpos distintos. Para aprender a aplicar tan importan principio analicemos el caso de la figura: dos equipos se enfrentan en el juego de tirar de la soga. ¿Quién ganará? Unos dirán: ¡es obvio! ¡ganará el que tire con más fuerza de la soga! ... ¿Es verdad esto? ... la respuesta es ¡NO! Encontremos el razonamiento correcto que te hará ver qué cosa es lo importante a la hora de ganar este juego. Según el principio de acción y reacción, ambas fuerzas son iguales y no compiten realmente entre sí. Pero sobre cada equipo, interviene además otra fuerza, llamada “fuerza de agarre o rozamiento” con el suelo. El equipo que gana no es el que tira con más fuerza, sino el que es capaz de obtener el máximo agarre contra el suelo. El vuelo de un cohete espacial también se explica con este principio de acción y reacción, pues la aceleración hacia abajo, de los gases de combustión que despide de su motor, le sirven de impulso hacia arriba para elevarse. Igual sucede al dejar suelto, con la boquilla abierta, un globo que acabamos de inflar, se impulsa en diferentes direcciones hasta que se desinfla del todo. ¡Haz la prueba! Hemos hecho un viaje veloz al maravilloso mundo del movimiento, Hay mucho más que aprender aún, pero nos queda muy claro el hecho de que sin acción nada se mueve y de que toda acción provoca una reacción. Esto vale también para la vida, pues no basta sólo desplegar un gran esfuerzo para emprender acciones constructivas, para crecer y elevarnos como un cohete hasta el cielo, a pesar de las reacciones en contra, También necesitamos, de la fuerza de agarre decisiva para triunfar, y esta poderosa fuerza reside en la inteligencia, la voluntad y la capacidad de amar del SER HUMANO. TAREA INTELIGENTE: Actividad 1 Presenta 3 casos que tú conozcas de cerca en los que frente a una acción realizada se provocó una reacción en el campo de las relaciones humanas.
Actividad 2 Presenta 3 casos que tú conozcas de cerca en los que frente a una acción realizada se provocó una reacción en el campo de la ciencia física.
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Patronato Civil por la Calidad Educativa Regional Actividad 3 a) Identifica las fuerzas que han actuado en cada caso presentado.
b) Realiza un diagrama de flechas señalando el sentido en el que se aplican las fuerzas para cada caso
Actividad 4 Responde a las siguientes preguntas aplicando los conceptos de la Lectura Generadora ¿Si un carro se encuentra en plena carrera, qué acción del chofer podría provocar una volcadura repentina?
¿Por qué el usar el cinturón de seguridad protege la integridad física del chofer que conduce un vehículo?
¿Por qué el andar con zapatillas es más fácil que el andar con zapatos de suela?
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el reto de mejorar la Educaci贸n est谩 en nuestras manos