Física 2 BGU - muestra editorial - Maya Educación by Maya Educación

Los principales aspectos que deben revisar las entidades evaluadoras, en este caso las universidades son: 1. Rigor científico; 2. Rigor conceptual; 3. Rigor didáctico; 4. Rigor de diseño; y, 5. Rigor lingüístico. Al concluir la revisión, esto es, una vez evaluadas todas las páginas de los textos escolares, la nota de evaluación es el resultado de los puntos obtenidos en cada uno de los criterios especificados en las rúbricas.

Física

Los textos escolares de TENDENCIAS recibieron la certificación curricular mediante acuerdos ministeriales emitidos por el Ministerio de Educación del Ecuador, sustentados en los informes de evaluación emitidos por las entidades evaluadoras, en este caso las universidades; por lo cual se garantiza la calidad de estos libros de texto y se autoriza su utilización como libro de texto principal de las asignaturas de EGB y BGU.

Esta herramienta ayuda al docente con recursos educativos digitales que mejoran su labor de enseñanza, así como a los alumnos en su aprendizaje, poniendo en práctica los conocimientos adquiridos con actividades prácticas y dinámicas, valorando de esta manera una mejor comprensión de los temas expuestos.

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Física

Maya Click es una plataforma virtual que brinda la capacidad de interactuar entre los contenidos físicos de nuestros textos escolares, con las herramientas multimedia que hemos desarrollado, contribuyendo en la evolución de los procesos de aprendizaje y enseñanza ligada a la tecnología. Es un complemento que presenta alternativas a las prácticas de educación tradicional.

2 BGU

Información personal Nombre: Dirección: Teléfono: E-mail: Colegio: Curso: Ciudad:

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Presentación Con gran cariño presentamos a la comunidad educativa ecuatoriana la presente serie de libros de textos de la asignatura de física para primero, segundo y tercer año de Bachillerato General Unificado (BGU), la cual aplica todos los lineamientos que establece el Ajuste Curricular del Ministerio de Educación. En lo que respecta a enfoque de la asignatura; contribución al perfil de salida del bachillerato; fundamentos pedagógicos y epistemológicos de la asignatura; orientaciones para la conversión de bloques curriculares en unidades didácticas; objetivos generales del área; objetivos de la asignatura; destrezas con criterios de desempeño; y criterios e indicadores de evaluación de la asignatura. La finalidad principal de este proyecto editorial es que los estudiantes, con una adecuada mediación docente, adquieran las destrezas necesarias para desarrollar el pensamiento científico y los valores. Para lograrlo, hemos confeccionado una estructura de texto que complementa el desarrollo de conceptos científicos actualizados y significativos, con abundantes talleres, evaluaciones, experimentos y proyectos de emprendimiento que fomenten en los estudiantes la adquisición de las habilidades necesarias para un mundo exigente. Los textos tienen un enfoque comunicativo que brinda al estudiante la oportunidad de escribir, leer y exponer oralmente. Además tenemos secciones para que los jóvenes adquieran una visión global de la ciencia como: ‘La física y las profesiones’, ‘Interdisciplinariedad’ y ‘Buen vivir’. Por otro lado, fomentamos con gran énfasis las habilidades investigativas, y para ello tenemos las secciones ‘Cómo se investiga en física’; ‘ciencia, tecnología y sociedad’; y ‘Laboratorio’. Esperamos que este material se constituya en un espacio de lectura científica, análisis, reflexión, acción crítica, aplicación y transformación de la realidad. Cordialmente, La editorial

Conoce tu libro Apertura de unidad

Estática

Física y las profesiones

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UNIDAD

Ingeniería Naval La Ingeniería Naval se encarga del diseño, propulsión y construcción de estructuras y transporte marítimo. La ingeniera o el ingeniero naval tienen habilidades para el análisis e interpretación de datos, lo que les permite realizar diseños integrados dentro de la ingeniería. Gracias a la física, los diseños realizados por los ingenieros navales pueden ser más eficientes, controlando así que los navíos, buques y otros medios de transporte naval sean seguros para su uso y se mantengan a flote. El objetivo es ofrecer un medio que transporte materiales y personas de manera cómoda y económica. La Ingeniería Naval también se encarga, en parte, de la construcción de estructuras a nivel del mar (por ejemplo, de las plataformas y de los sistemas eólicos). La carrera de Ingeniería Naval se puede estudiar en la Escuela Politécnica del Litoral (ESPOL) o en la Universidad Naval de Salinas. En el siguiente enlace puedes encontrar más información: https://www.educaedu.com.ec/ carrera/ingenieria-naval

Posición de equilibrio.

Objetivos E La página introductoria derecha contiene el espacio Física y las profesiones, que explica las carreras que están directamente relacionadas con Física y con la vida universitaria. Además, se da orientación sobre las universidades ecuatorianas que ofertan estas carreras. Esta página también contiene un ordenador gráfico sobre ¿Qué Vamos a aprender?, en donde se identifican los conceptos fundamentales que se desarrollarán en la unidad.

Estática

1. O.CN.F.5. Describir los fenómenos que aparecen en la naturaleza, analizando las características más relevantes y las magnitudes que intervienen y progresar en el dominio de los conocimientos de física, de menor a mayor profundidad, para aplicarlas a las necesidades y potencialidades de nuestro país.

Fuerzas fundamentales

• Primera ley de Newton

• Tercera ley de Newton

• Ley de inercia

• Ley de acción y reacción.

Fuente: Maya ediciones, 2017.

Saberes previos Saberes previos Cuando se practica un deporte que requiere el uso de una pelota y se dice "no lances la pelota con mucha fuerza", ¿a qué nos referimos con esta expresión?

Se inician con la destreza con criterio de desempeño al empezar cada tema. Cada lección inicia con una micro-actividad acerca de los saberes previos, luego propone una pregunta de aprendizaje significativo que colocará al estudiante en el desequilibrio cognitivo, el cuestionamiento de sus antiguos conocimientos y su búsqueda por los nuevos durante toda la lección.

Desequilibrio cognitivo Las fuerzas fundamentales, tomando como ejemplo la fuerza nuclear fuerte, ¿tendrán el mismo efecto en cuerpos sólidos que en cuerpos en estado líquido?

CN.F.5.5.8. Explicar mediante la indagación científica la importancia de las fuerzas fundamentales de la naturaleza (nuclear fuerte, nuclear débil, electromagnética y gravitacional), en los fenómenos naturales y la vida cotidiana. CN.F.5.1.20. Reconocer que la fuerza es una magnitud de naturaleza vectorial, mediante la explicación gráfica de situaciones reales para resolver problemas donde se observen objetos en equilibrio u objetos acelerados.

Las fuerzas externas son interacciones ejercidas por otros cuerpos o el medio que rodea al objeto en análisis.

Fuerzas fundamentales Todos tenemos un concepto básico de lo que es “fuerza”, sobre todo si consideramos ciertos ejemplos cotidianos: cuando empujamos una silla, lanzamos un balón o rompemos una ventana. Quizás nos es más conocido aún el concepto “fuerza” cuando mamá o papá nos castigan por haber roto la ventana. La fuerza es un vector que tiene dirección, magnitud y una unidad asociada. La fuerza es la interacción entre dos objetos, y tiene la capacidad de mantenerlos en reposo, darles movimiento, deformarlos o cambiar su estado. El movimiento es un fenómeno producido por la interacción de fuerzas sobre un cuerpo. En el análisis del cuerpo en movimiento, encontramos dos tipos de fuerzas: externas e internas. Las fuerzas internas al cuerpo son aquellas que mantienen unidas las partes del objeto como un todo.

quark arriba

gluón

Figura 1.3.

Las fuerzas como el rozamiento, la cohesión interna y el peso se agrupan en cuatro grupos de interacciones o de fuerzas fundamentales, las cuales son: • gravitatoria, • electromagnética, • nuclear débil, • nuclear fuerte.

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La interacción depende de la naturaleza y de la disposición de los cuerpos en el medio ambiente (considerando que el medio ambiente son los objetos con los que puede interactuar el objeto estudiado).

Figura 1.1.

La fuerza gravitacional es la más débil de las cuatro. La fuerza electromagnética se caracteriza por ser tanto de repulsión como de atracción, dependiendo de la disposición de las cargas eléctricas de un cuerpo. Esta fuerza mantiene a los electrones orbitando alrededor del átomo. Además, la fuerza electromagnética permite formar moléculas por la interacción de los átomos.

Los contenidos de cada lección se apoyan en breves textos, esquemas, fotografías, organizadores gráficos, tablas de datos, diagramas, gráficas de funciones y otros. La estructura de una lección se ha diseñado en dos páginas de contenidos, más dos páginas de desarrollo de destrezas.

Secciones variables

Interacción entre quarks en un protón.

La fuerza débil es trasladada por bosones W y Z. La incógnita sigue siendo la partícula que traslada la gravedad, el supuesto gravitón. Los científicos no la han descubierto aún, y por eso no se ha llegado a un modelo matemático que unifique estas fuerzas.

TIC En este enlace encontrarás una explicación breve y más precisa de la teoría de la unificación: https://prezi.com/jqy5rzjkejx_/teoria-de-la-unificacion-de-la-fisica/

La fuerza nuclear débil se caracteriza por ser la responsable de los fenómenos radioactivos (desintegración). Su nombre viene dado por la comparación con la fuerza nuclear fuerte, que es la encargada de mantener estable la estructura del núcleo (protones y neutrones en el interior del núcleo).

Figura 1.2. Estructura interna de polipropileno.

En la (Figura 1.1.) podemos ver una cuerda de polipropileno siendo halada de lado y lado. Si la observamos en su estructura interna, en cualquier punto (Figura 1.2.), nos damos cuenta de que existen fuerzas entre las moléculas y, más internamente, en las partículas que las componen (cohesión). La cuerda aguanta cierta fuerza sin romperse.

quark abajo

quark arriba

Glosario cohesión. Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de un cuerpo o sustancia. análisis. Es la separación de las partes para conocer su composición.

Dato curioso La teoría de unificación es aquella que enlaza a tres de las cuatro fuerzas fundamentales naturales. El electromagnetismo es trasladado por fotones. La fuerza fuerte es trasladada por partículas llamadas gluones.

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Contenidos científicos y pedagógicos

Maya Ediciones, (2017).

l concepto de equilibrio se aplica en el tipo de vida que llevamos, en nuestra alimentación y en nuestra forma de relacionarnos con los demás. En esta unidad estudiaremos el equilibrio desde el punto de vista de la física, su importancia en la cotidianidad, y las leyes que lo rigen. La estática (rama de la mecánica) estudia a los cuerpos en equilibrio, es decir, con velocidad constante o en reposo. Este estudio es muy importante sobre todo para el desarrollo de cuerpos que necesitan mantener su posición (por ejemplo, los edificios, los puentes, las grúas). En la foto, podemos ver una roca saliente y un joven en posición de equilibrio.

CN.F.5.1.19. Reconocer sistemas inerciales y no inerciales a través de la observación de videos y análisis de situaciones cotidianas y elaborar diagramas de cuerpo libre para conceptualizar las leyes de Newton, resolver problemas de aplicación.

Fuerza de rozamiento • Ejercicios resueltos y propuestos: refuerzan las destrezas de cada tema. • TIC: sirven para reforzar aprendizajes mediante el uso de tutoriales, simuladores y web de organizaciones científicas conocidas. • Interdisciplinariedad: relaciona a la física con otras áreas de conocimiento como la química, matemáticas, biología, arte, ingles y otras. • Buen vivir: permite vincular el conocimiento de la física con el Plan Nacional del Buen vivir (Sumak Kawsay). • Laboratorios caseros: son experiencias divertidas que el estudiante puede efectuar con materiales sencillos. • Estrategias para resolver problemas: acciones que facilitan al estudiante la resolución de problemas.

Este coeficiente dependerá del material del que estén compuestas ! las superficies sobre las que se encuentran apoyadas los cuerpos; F N es el vector fuerza normal que ejerce el contacto de un objeto con el cuerpo en análisis. Existen dos coeficientes de fricción, uno estático y otro al que denominamos cinético. Con el siguiente ejemplo, los diferenciaremos mejor el uno del otro.

Saberes previos

Desequilibrio cognitivo

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¿Por qué, cuando rozamos las palmas de nuestras manos en un día frío, sentimos calor? ¿Esta acción que realizamos para calentarnos se podría considerar como un ejemplo de aplicación de rozamiento?

Pongamos nuestra mano en contacto con la baldosa y movámosla sobre la superficie, manteniéndola siempre en contacto. Ahora busquemos una superficie de madera y hagamos lo mismo. ¿Notaste la diferencia? Por medio de la vista podemos encontrar diferencias entre ambos materiales (el color, la forma, etc.). Con el tacto percibimos la diferencia de textura que existe entre la baldosa y la madera (e incluso con la vista podríamos notar esa diferencia). Pero qué sucede en este ejemplo: si ponemos la mano sobre un pedazo de madera de roble con un excelente acabado y luego sobre un pedazo de madera de eucalipto que tiene igualmente un excelente acabado, ¿habrá alguna diferencia que podamos percibir con el tacto? Podemos ver (Figura1.9.) a nivel molecular que aunque las superficies de los bloques de madera estén bien pulidas, aún habrá presencia de irregularidades que no facilitan el movimiento sobre dichas superficies. Las vetas que tiene cada tipo de madera le otorgan diferente irregularidad.

Shutterstock, (2017). 270788375

Maya Ediciones, (2017).

Dato curioso

Aquaplaning Es un fenómeno que sucede durante la lluvia. Produce que la llanta pierda control del movimiento del vehículo sobre el piso, debido a la falta de fricción entre estas dos superficies por la formación de una película entre las llantas y el pavimento. Es muy peligroso en exceso de velocidad, debido a que no hay suficiente "agarre" entre el caucho y el pavimento.

Figura 1.9.

Denominamos como fuerza de rozamiento a aquella que existe entre la superficie en contacto y el cuerpo en movimiento o reposo. Esta fuerza se opone al movimiento. La fuerza de rozamiento depende de la superficie de contacto de la fuerza normal que produce la superficie sobre el cuerpo en análisis. El máximo valor de la fuerza de rozamiento está determinada por la siguiente ecuación

!" !" ! FR =µ⋅FN ,

Glosario veta. Faja o lista de una materia que se distingue de la masa en que se halla interpuesta. coeficiente. Número que expresa el valor de un cambio en relación con las condiciones en que se produce.

TIC Shutterstock, (2017) . 339522572

Supongamos que estás caminando sobre hielo. Para dejar de resbalar, ¿qué harías y por qué lo harías?

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La unidad se inicia con una doble página que contiene una imagen que motiva al estudiante a relacionarse con los temas que se van a tratar, junto a ella se propone un texto introductorio que despierta el interés y la curiosidad por el contenido. Puesto que se hallan adjuntos los objetivos de asignatura de física que se trabajarán en esta unidad.

Mira el simulador de fuerzas y movimiento en este enlace: www.mayaediciones.com/fis2/ p29 Figura 1.10.

Imaginemos la escena mostrada en la Figura 1.10. Si alguna vez hemos movido un objeto de gran tamaño, empujando o jalándolo, es más difícil ponerlo en movimiento, que hacerlo una vez que ya ha empezado a moverse. La razón de esta diferencia se debe a la propia inercia del cuerpo, es decir, a la oposición del cuerpo a cambiar su estado de reposo (que más adelante explicaremos detenidamente). Cuando el objeto se pone en movimiento, es más fácil que siga en movimiento. Por lo tanto, los coeficientes de fricción serán diferentes. En reposo el coefIciente será mayor que en movimiento.

Pulsa en fricción, realiza varias pruebas para responder: ¿Cúal es el valor del coeficiente de rozamiento estático y cinético sobre la caja y sobre el refrigerador?

El coeficiente de fricción estático (μE) actúa cuando el cuerpo aún no ha empezado el movimiento. Una vez que empieza a moverse el cuerpo, actúa el coeficiente denominado coeficiente de fricción cinético. El coeficiente de fricción es adimensional. μs

μk

Cobre sobre acero

0,53

0,36

Acero sobre acero

0,74

0,57

Aluminio sobre acero

0,61

0,47

Superficies de contacto

Caucho sobre concreto

1,0

Madera sobre madera

0,25 - 0,5

0,8 0,2

Madera encerada sobre nieve húmeda

0,4

0,1

Teflón sobre teflón

0,04

(Serway, 1992, p. 121)

donde la letra griega mi (μ) es el coeficiente de fricción. 29

Evaluación formativa

Permite valorar el desarrollo de las destrezas y establecer el Ajuste Curricular adecuado. Incluye actividades integrales en las dimensiones cognitiva, afectiva y psicomotriz, que invitan a la reflexión, acción crítica, comprensión profunda, desarrollo de valores, aplicación y transformación de la realidad. Incluye:

Reflexiona. Los planetas se mueven describiendo una trayectoria casi circular alrededor del Sol. ¿Qué fuerza actúa para que se mantenga describiendo esta trayectoria? ¿El movimiento de los planetas alrededor del Sol está dentro de la primera ley de Newton? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Un hombre se ha atrasado para ir al aeropuerto. Agarra su celular y su maleta y sale. Da un par de pasos y cae de espaldas. Se da cuenta de que su maleta se quedó atada por un hilo a la pata de la silla a la que estaba apoyada. El hombre jala con una fuerza de 40 N antes de caer. Conociendo que el coeficiente de fricción estático y cinético entre el piso y las ruedas de la maleta es igual a 0,2 y 0,14, respectivamente ¿cuál es el valor de la tensión que ejerció el hilo sobre la maleta? Considera que el peso de la maleta es igual a 50 N, que las ruedas no giran y que el momento en que se tensó el hilo, el cuerpo estuvo en ! ! equilibrio. ∑ F x =0 ∑ F Y =0 FH

Menciona dos casos que hayas visto, donde el movimiento uniforme se pueda considerar como de estado natural. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Con tus propias palabras, explica lo que nos quiere decir Newton con el enunciado de la primera ley de Newton o ley de inercia. ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________________

Dibuja. ¿Cuáles serán las fuerzas que actúan sobre la nave del ejemplo, una vez que esta se ha alejado de la gravedad del planeta? Supón que los cohetes impulsores están apagados en ese instante. Representa el sistema mediante un diagrama de cuerpo libre.

Actividad investigativa Indaga: ¿por qué no son aplicables las leyes de Newton a velocidades cercanas a la de la luz? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

Estrategia de investigación Para indagar necesitamos tratar de llegar a conocer por medio de la reflexión y conocimientos adquiridos o consultados.

Trabajo colaborativo Tomen dos objetos que estén a su alcance. En parejas, discutan: ¿cuál de los dos objetos tendrá mayor inercia? ¿Por qué? Para responder, consideren que la inercia es la tendencia que tiene un cuerpo de no cambiar de estado. ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

Diversidad funcional en el aula Al envejecer, quizás, no podamos caminar o escuchar bien; o quizás no recordemos algunas ideas. La discapacidad no debe asustarnos. Es parte de nuestras vidas directa o indirectamente.

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Un fabricante de motocicletas está desarrollando un modelo prototipo de moto, que es impulsada por sistemas de propulsión que reemplazan sus llantas. La moto soportaría una carga máxima de 1 200 N adicionales a su propio peso. Suponiendo que una persona promedio tiene una masa de 75 kg y que el peso propio de la moto es de 1 750 N, ¿a cuántas personas podrá soportar la moto antes de perder el equilibrio y desplomarse en el suelo?

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70º

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Trabajo colaborativo, actividad para realizar en equipo. Diversidad funcional en el aula, con recomendaciones para trabajar con estudiantes con discapacidad. Actividad investigativa, en la que se orientará la investigación en diversas fuentes, acompañado de Sugerencias para investigar.

I.CN.F.5.4.1. Elabora diagramas de cuerpo libre, resuelve problemas y reconoce sistemas inerciales y no inerciales, aplicando las leyes de Newton, cuando el objeto es mucho mayor que una partícula elemental y se mueve a velocidades inferiores a la de la luz. (I.2., I.4.)

Ciencia, tecnología y sociedad

Componentes

Es una sección en la que se trabaja sobre diversas técnicas y metodologías aplicadas a las ciencias experimentales como la física.

Modelo físico y prototipos Un modelo es una representación abstracta, conceptual, gráfica, visual, física o matemática de un fenómeno. Los modelos permiten estudiar aquello que no se puede ver o manipular, ya sea por su tamaño real o por la dificultad de observarlo en condiciones normales.

Una estructura metálica desmontable permite el transporte de materiales pesados, pues se apoya sobre suelo firme. Esta estructura emplea el principio de equilibrio estático.

La idealización de un fenómeno de manera un poco más abstracta nos permite generar, posteriormente, lo que se denomina prototipo. Uno de los primeros modelos de física se generó con la teoría de la relatividad de Galileo. Según Galileo, nuestra percepción del espacio estaría entorpecida por el sistema de referencia que tomáramos. Por ejemplo: Si por un camino una chica corre, mientras otra persona está quieta, la chica notará claramente que es ella la que se aproxima a la persona que está quieta. Pero, en el caso de que estuviésemos en un espacio vacío sin referencias, y dentro de ese espacio solo hubiesen dos objetos, uno acercándose al otro, ¿cómo podríamos saber cuál de ellos es el que se está aproximando hacia el otro? Esta idealización da como conclusión que el espacio y sus componentes son relativos y que no existe nada absoluto.

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¿Cómo se investiga en física?

Pluma

Contrapeso

Soporte giratorio

Órgano de aprehensión

∑ F =0

Laboratorio

Torre

Vincula los conocimientos teóricos con los experimentales a través de experiencias de laboratorio y que guardan un rigor científico en cuanto a la obtención, procesamiento, presentación, análisis de datos y comprobación de leyes.

El peso máximo que puede soportar la grúa depende del contrapeso que tenga.

Un prototipo es una representación más concreta de lo que queremos obtener, y se caracteriza por probar nuevas ideas que generen de mejor manera las condiciones o características naturales de un fenómeno o un elemento. En los prototipos se van probando mejoras de acuerdo con lo conceptualizado en modelos.

Lastre

Tipos

Por ejemplo, para el diseño de los monoplazas de fórmula uno, se generan modelos que buscan mejorar el desempeño y que permitan cambiar la aerodinámica del auto (por ejemplo, probando fibra de vidrio en lugar de fibra de carbono). Estos modelos se ponen a prueba mediante programas de computadora y posteriormente, en túneles de viento, de lluvia, entre otros.

Construcción

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Uso

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TIC

¿Cómo se investiga en física?

Ciencia, tecnología y sociedad Grúas de carga: grúa torre

Shutterstock, (2017) . 274285517

Infografía de tipo periodístico que le permite al estudiante visualizar un tema de importancia actual relacionado con la unidad.

En este enlace encontrarás más información acerca de la relatividad de Galileo: https://www.youtube.com/watch?annotation_id=annotation_4078896723&feature=iv&src_vid=7guqO7eWkSg&v=-E_ WOXNf_VI

Permite el aprendizaje de la física a través del uso de software, como simuladores de realidad, hojas de cálculo, conversores de magnitudes y otros.

Evaluación sumativa Es un cuestionario que permite al estudiante comprobar y al maestro medir el alcance de las destrezas en función de los criterios de evaluación establecidos en el currículo. Se complementa con una coevaluación.

Evaluación sumativa CE.CN.F.5.4. Elabora diagramas de cuerpo libre y resuelve problemas para reconocer los sistemas inerciales y los no inerciales, la vinculación de la masa del objeto con su velocidad, el principio de conservación de la cantidad de movimiento lineal, aplicando las leyes de Newton (con sus limitaciones de aplicación) y determinando el centro de masa para un sistema simple de dos cuerpos.

Consulta. ¿Cuáles son los coeficientes estáticos y cinéticos entre los siguientes materiales?

Articulaciones sinoviales de los humanos

Una esquiadora baja la pendiente de una colina a toda velocidad (colina A). Intenta ver hasta dónde logra subir con esa velocidad antes de quedar completamente detenida en una colina con pendiente opuesta (colina B), como se muestra en la gráfica. En ese punto de la colina B, ¿cuál será el valor de la fuerza de rozamiento, considerando que el coeficiente de fricción estática es 0,14? ¿Cuál será la dirección y sentido de dicho vector?

Llantas de caucho y diversos tipos de pavimento (secos y húmedos) _______________________________________________________________________________________________________

Colina A

Colina B

Prueba de base estructurada

Escoge verdadero o falso según corresponda, y justifica tu respuesta.

Nieve

El coeficiente de fricción emplea el Newton como unidad principal en el Sistema Internacional de Unidades para acompañar su magnitud. verdadero / falso

La escalera está apoyada en la pared y en el piso. Para evitar que la escalera resbale, ¿cuál debería ser el valor de la reacción que existe entre la escalera-piso y la escalera-pared? El peso de la escalera es P=30 N y el coeficiente de fricción estática para la pared y el piso es igual a 0,2.

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Es una prueba que prepara al estudiante para la prueba SER BACHILLER y ENES.

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Todo cuerpo se mantiene en reposo, a menos que exista una fuerza neta que cambie su estado de movimiento. verdadero / falso _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

By Gaspar Schott [Public domain], via Wikimedia Commons

La evaluación de la unidad cierra con una lista de cotejo para auto evaluación y un apartado para la Metacognición, que le permite al estudiante auto reflexionar sobre su propio aprendizaje.

El experimento de los hemisferios de Magdeburgo "El experimento consistía en tratar de separar dos hemisferios metálicos, de unos 50 cm de diámetro, unidos entre sí por simple contacto, formando una esfera herméticamente cerrada de la que se extraía el aire con una bomba de vacío" (Vera, Olcina, Hernández, 2016, p. 818) La esfera era tirada por ambos lados con dos caballos, como se muestra en la imagen, y debía mantenerse en equilibrio estático. Conociendo que la fuerza con la jalaban los dos caballos era de 2 200 N en total, en el lado derecho, ¿cuál era la fuerza que debían tener los caballos en el lado izquierdo? 6

Autoevaluación Contenidos ¿Sé elaborar diagramas de cuerpo libre? ¿Sé reconocer los sistemas de referencia inerciales y los no inerciales? ¿Sé resolver problemas aplicando las leyes de Newton?

Siempre A veces

Nunca

Metacognición Trabaja en tu cuaderno: • ¿Qué aprendiste en esta unidad? • ¿Cómo lo aprendiste? • ¿En qué lo puedes aplicar?

Presentación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Conoce tu libro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Índice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 ¿Cómo piensan y trabajan los científicos? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

BC 2 BC 1 BC 2

BC 1

BC 5

Unidad 1

Estática . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 Fuerzas fundamentales . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Diagrama de cuerpo libre . . . . . . . . . . . . . 20 Peso y fuerza normal . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Fuerza de rozamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Ley de inercia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Ley de acción y reacción . . . . . . . . . . . . . . 36 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 Sistemas inerciales y no inerciales . . . . . 40 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Ciencia, tecnología y sociedad . . . . . . . 44 ¿Cómo se investiga en física? . . . . . . . . 45 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Evaluación sumativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Unidad 3

BC 6

Índice

Unidad 4

BC 1 BC 2 BC 6 BC 1

BC 6 BC 5

BC 4

BC 1

Unidad 2

Dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Segunda ley de Newton . . . . . . . . . . . . . . 52 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Análisis de dinámica . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 Fuerza centrípeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Fuerzas ficticias: fuerza centrífuga . . . . . 64 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Ley de gravitación universal . . . . . . . . . . . 64 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Leyes de Kepler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Aplicación de la dinámica . . . . . . . . . . . . 76 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Ciencia, tecnología y sociedad . . . . . . . 80 ¿Cómo se investiga en física? . . . . . . . . 81 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Evaluación sumativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Trabajo, energía y potencia . . . . . . . . . 86 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 Trabajo y energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Energía potencial gravitacional y energía cinética . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Fuerza elástica y energía elástica . . . . . . . . 96 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 Fuerzas conservativas y no conservativas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 Principio de conservación de la energía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Trabajo y variación de energía. Trabajo de las fuerzas resistivas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Potencia y eficiencia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 Ciencia, tecnología y sociedad . . . . . . . 115 ¿Cómo se investiga en física? . . . . . . . . . 117 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Evaluación sumativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

Impulso y cantidad de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Cantidad de movimiento lineal . . . . . . . 124 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 126 Impulso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Teorema del impulso y cantidad de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 Conservación de la cantidad de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 Centro de masa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Choques y coeficiente de restitución . 144 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 Aplicación de la cantidad de movimiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Ciencia, tecnología y sociedad . . . . . . . 152 ¿Cómo se investiga en física? . . . . . . . . . 153 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Evaluación sumativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

BC 6

BC 1

Unidad 5

Elasticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Fuerza elástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Elasticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Ley de Hooke, esfuerzo y deformación . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 Esfuerzo, deformación lineal y módulos de elasticidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 Esfuerzos volumétricos . . . . . . . . . . . . . . . 176 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 Elasticidad y plasticidad . . . . . . . . . . . . . . . 180 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Ciencia, tecnología y sociedad . . . . . . . 184 ¿Cómo se investiga en física? . . . . . . . . . 185 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 Evaluación sumativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

BC 6

BC 1

Unidad 6

Movimiento armónico simple . . . . . . 190 Objetivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 Movimiento periódico y movimiento armónico simple (MAS) . . . . . . . . . . . . . . . 192 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Amplitud, período y frecuencia . . . . . . 196 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Análisis del MAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 Elongación, velocidad y aceleración en el MAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 Energía en el movimiento armónico simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 210 Péndulo simple . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Evaluación formativa . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 Ciencia, tecnología y sociedad . . . . . . . 216 ¿Cómo se investiga en física? . . . . . . . . . 217 Laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 Evaluación sumativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Bibliografía . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Formulario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

BC 1

Bloque Curricular 1: Movimiento y fuerza

BC 2

Bloque Curricular 2: Energía, conservación y transferencia

BC 4

Bloque Curricular 4: La Tierra y el Universo

BC 5

Bloque Curricular 5: La Física de hoy

BC 6

Bloque Curricular 6: La Física en acción

¿Cómo piensan y trabajan los científicos? Shutterstock, (2017) . 350329595

“Vivimos en un universo extraño y maravilloso. Se necesita una extraordinaria imaginación para apreciar su edad, tamaño, violencia, e incluso su vasto cosmos es insignificante; quizá por ello tratamos de encontrarle un sentido y de ver cómo encajamos en él” (Hawking & Mlodinow, 2008, p. 17).

¿Qué impulsa al ser humano a escudriñar el universo?

Sin duda, lo que lo impulsa es la incesante búsqueda de aquel conocimiento que lo acerque a la verdad, a responder preguntas que le permitan comprender su existencia y el todo que lo rodea. Es por ello que el ser humano rasga con su mirada las inmensidades del cosmos y las minúsculas partículas en donde pretende encontrar su propio origen.

¿Qué es la ciencia? “La ciencia puede ser definida de muchas maneras diferentes. Puede ser considerada como un esfuerzo colectivo de una multitud de investigadores, escépticos y pragmáticos, que basan sus conclusiones en una cuidadosa y progresiva búsqueda de hechos por medio del uso sistemático y constante de los experimentos, con gran respeto por la evidencia objetiva” (Jaffe, 2017, p. 50). La palabra ciencia tiene un origen latino: scientia, que significa conocer. Al conjunto de conocimientos obtenidos de forma sistemática, estructurados y enmarcados en un ámbito definido, los llamamos ciencia. La disciplina de la física pertenece a un conjunto de ciencias denominadas ciencias experimentales o fácticas.

perfectible

Las ciencias se componen de un conjunto de conocimientos denominados conocimientos científicos, cuyo origen se halla en la acumulación de diversas experiencias humanas que buscan respuestas a preguntas que han inspirado al ser humano desde sus orígenes. La fundamentación de un conocimiento científico radica en la máxima posibilidad de ser comprobado, en cualquier momento y en cualquier espacio. Para esto, un conocimiento científico debe poseer las siguientes características que se enumeran en la imagen de la izquierda.

El método científico

El método científico es un conjunto de pasos que, por medio de la rigurosidad de procedimientos, intenta lograr la mayor objetividad en la observación, obtención de datos, análisis, emisión de conclusiones y evaluación de resultados. Además, el método científico busca perfeccionar sus procedimientos; deja siempre abierta la posibilidad de ampliar y corregir una investigación o de modificar una teoría.

Shutterstock, (2017) . 107013704

Para llegar a un conocimiento científico, las ciencias basan sus investigaciones en el método científico.

Gran colisionador de hadrones.

Etapas del método científico

Reconocimiento del problema

Formulación de hipótesis

Plantear suposiciones para explicar el problema

Al observar la naturaleza, nos preguntarnos el porqué es así y al mismo tiempo elaboramos una presunta respuesta a esta interrogante. Este hecho ha dado origen a una multitud de acciones humanas a las que se les ha llamado experimentos. El resultado de las experimentaciones nos ha acercado a conocer cómo funciona el universo y a establecer teorías que permiten, con bastante precisión, predecir su comportamiento.

Experimentación

Conclusiones

Comprobación de hipótesis, búsqueda de relaciones entre las variables

Emitir conclusiones que confirman o niegan la hipótesis

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Observación

Stephen Hawking.

La observación

¿Cómo conocemos aquello que esta fuera y dentro de nosotros?

Phothos, (2017) .92822868

Cualquier investigación inicia en la observación. Lo que conocemos proviene de la observación que hacen nuestros sentidos de una realidad. Con ellos podemos conocer los colores, diferenciar lo cálido de lo frío, distinguir sabores, olores, sonidos, texturas.

Isaac Newton en sus cavilaciones bajo un manzano.

Por mucho tiempo, y aún ahora, incontables fenómenos de la naturaleza nos son invisibles debido a la funcionalidad de nuestros sentidos. Podemos observar sus efectos, pero no lo que los origina. Esto ha hecho que los seres humanos inventen aparatos que amplifiquen su capacidad de observación, que hagan visible lo invisible; así, han inventado aparatos como los telescopios, las antenas, los espectrómetros, los lentes infrarrojos, entre otros.

Isaac Newton y el método científico

Desde el siglo IV a. C. se mantenía la idea aristotélica de que el estado natural de los cuerpos que se hallaban en la Tierra era permanecer en reposo. Solo hasta el siglo XVII d. C., Galileo Galilei (Italia, 1574-1642) contradijo esta idea, añadiéndoles a los cuerpos la propiedad de la inercia (pereza). Para Galileo, el reposo de un cuerpo era solo relativo al punto de vista. El estado natural de los cuerpos en el universo es siempre hallarse en movimiento. Por ello, pensaba que lo que debe interesarnos estudiar es lo que causa y cambia el estado de movimiento de los cuerpos. Al igual que Galileo y Aristóteles, Isaac Newton (Inglaterra, 1642-1727) observó que los cuerpos pequeños caían más lentamente que los cuerpos de mayor tamaño, pero coincidía con Galileo en que esto no se debía a su peso, como decía Aristóteles, sino a la resistencia que el aire ejercía sobre los cuerpos por el hecho de rozarlos mientras se deslizaban a través de él.

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A partir de las ideas de Galileo sobre la inercia, y el desplome del pensamiento aristotélico sobre el movimiento, Newton se interesó en establecer el efecto que producía la presencia del aire en la caída de los cuerpos y el rozamiento de los cuerpos cuando se movían sobre diversas superficies. Las preguntas que se planteó ante sus primeras observaciones fueron: ¿Qué sucedería si un objeto se moviera sin que nada le produjera rozamiento? ¿Qué sucedería si un cuerpo se moviera en el vacío? Newton observa la manzana caída.

La hipótesis

Cuando observamos un fenómeno físico y queremos explicar el porqué de su comportamiento, conjeturamos y elaboramos ideas que respondan estas cuestiones. A estas proposiciones se las conoce como hipótesis.

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Las hipótesis se componen de las ideas o suposiciones que se plantean con el fin de explicar las causas, la relación o el efecto que provoca el fenómeno observado. Toda la actividad investigativa tiene como fin validar o negar la hipótesis y responder a la pregunta que inició la actividad investigativa. Albert Einstein.

En el siglo XVII, las ideas acerca del movimiento de los cuerpos –ya sean estos terrenales o celestes– se hallaban desordenadas. Por una parte, estaban las ideas de Galileo sobre la inercia, y por otra, las ideas del astrónomo alemán Johannes Kepler (1571-1630), y sus leyes sobre el movimiento de los planetas. Newton pensó que los cuerpos retardaban sus movimientos debido a fuerzas que actúan sobre ellos en contra de su movimiento. Cuanta menos resistencia presentaba el espacio por donde se mueven los cuerpos, este movimiento tendería a prolongarse.

“Los proyectiles perseveran en sus movimientos, a no ser en la medida en que son retardados por la resistencia del aire y son empujados hacia abajo por la fuerza de la gravedad. Una rueda, cuyas partes en cohesión se retraen continuamente de los movimientos rectilíneos, no cesa de dar vueltas sino en la medida en que el aire la frena. Los cuerpos mayores de los cometas y de los planetas conservan por más tiempo sus movimientos, tanto progresivos como circulares, que tienen lugar en los espacios menos resistentes” (Shapiro, 2017).

Shutterstock, (2017) . 97812380

La hipótesis de Newton

La experimentación

La parte experimental es la que permite obtener datos del fenómeno investigado. Para ello se requiere que el fenómeno sea estudiado de forma aislada y bajo condiciones controladas. En la experimentación es importante: Diseñar el experimento, lo cual facilitará la toma de datos y el control de las condiciones ideales para observar el fenómeno sin interferencias.

Definir las variables que se medirán. En el caso de la física, se manejan tres tipos de variables: la variable independiente, la variable dependiente, la variable controlada. Medir (o cuantificar el fenómeno) corresponde a la generación de datos cuantificados, los cuales se recolectan en tablas, se procesan y se analizan.

Newton introdujo la palabra “fenómeno” en sus experimentos para identificar aquello que era el objeto de observación y cuantificación. Tras realizar experimentos con diversos cuerpos en caída libre, observó que solo en los cuerpos pequeños, el aire retardaba de forma considerable su caída, pero los cuerpos de mayor tamaño casi no se veían afectados por la resistencia que ofrecía el aire a su paso. También probó con el movimiento de los cuerpos en diferentes superficies, observando que, en superficies lisas, los cuerpos conservaban el movimiento por un tiempo más prolongado. Sin nada que los roce, los cuerpos se mueven en línea recta por tiempo indefinido. Con relación a los planetas, estos no se mueven en línea recta debido a una fuerza que curva su trayectoria.

El fenómeno observado

Shutterstock, (2017) . 543109057

En uno de sus borradores, Newton escribe: “Llamo fenómeno a lo que puede percibirse, bien sean cosas externas que se conocen por los cinco sentidos o cosas internas que contemplamos en nuestra mente al pensar. Como que el fuego es caliente y el agua es húmeda, el oro es pesado, y el sol luminoso, yo soy y yo pienso. Todas estas son cosas sensibles y pueden llamarse fenómenos en un sentido amplio; aquellas cosas son propiamente llamadas fenómenos, las que pueden verse, pero entiendo la palabra en un sentido más amplio” (Shapiro, 2017). La descomposición de la luz.

Las conclusiones

Una vez que los datos son analizados, se puede extraer de ellos las conclusiones. Para la física, las conclusiones parten del procesamiento de una suficiente cantidad de datos. Se pueden obtener conclusiones a partir de los resultados obtenidos en:

Philosophie, (2017) ..wikimedia.org

• la correlación que existe entre las variables; • la gráfica (sea esta lineal, polinómica, logarítmica, entre otras); • el significado de la pendiente, de la derivada, y otros; • la propagación de la incertidumbre. Las conclusiones confirman o niegan la hipótesis y responden a la pregunta que generó la investigación. Por último, si en varios experimentos una hipótesis es validada por expertos, esta se acepta como una teoría científica. Luego de sus repetidos experimentos y observaciones del movimiento de los cuerpos terrenales y celestes, Newton escribió sus conclusiones en tres libros muy importantes para la física: Principia Mathematica. En ellos establece las leyes del movimiento, y recalca la importancia de que las conclusiones deben estar basadas en los resultados de los experimentos y las repetidas observaciones: “Y no hay otra forma de hacer alguna cosa con certeza, sino trazando conclusiones de los experimentos y de los fenómenos hasta que se llegue a principios generales y luego de estos principios, se da una explicación de la naturaleza. Lo que es cierto en filosofía se debe a este método y nada puede hacerse sin él” (Koyré & Cohen, 1962, pp. 63-126).

Las leyes tras las conclusiones de Newton

Newton principles, (2017) .wordpress.com

“La primera ley establece que todos los cuerpos perseveran en su estado de reposo o de movimiento uniforme en línea recta, salvo que se vean forzados a cambiar ese estado por fuerzas impresas; el estado de la inercia se convierte así en la primera ley o axioma. La segunda ley establece que el cambio de movimiento es proporcional a la fuerza motriz impresa, y se hace en la dirección de la línea recta en la que se imprime esa fuerza. La tercera manifiesta que para toda acción hay siempre una reacción opuesta e igual; es en esta tercera ley en la que se basa la dinámica gravitacional como sistema de atracciones recíprocas” (Complutense, 2017). Newton y la ley de gravitación universal.

UNIDAD

Estática

Posición de equilibrio.

Objetivos 1. O.CN.F.5. Describir los fenómenos que aparecen en la naturaleza, analizando las características más relevantes y las magnitudes que intervienen y progresar en el dominio de los conocimientos de física, de menor a mayor profundidad, para aplicarlas a las necesidades y potencialidades de nuestro país.

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Shutterstock, (2017) . 354348443

Física y las profesiones

En el siguiente enlace puedes encontrar más información: https://www.educaedu.com.ec/ carrera/ingenieria-naval

Estática

Fuerzas fundamentales

• Primera ley de Newton

• Tercera ley de Newton

• Ley de inercia

• Ley de acción y reacción.

Fuente: Maya ediciones, 2017.

Saberes previos Saberes previos Cuando se practica un deporte que requiere el uso de una pelota y se dice "no lances la pelota con mucha fuerza", ¿a qué nos referimos con esta expresión?

Desequilibrio cognitivo Las fuerzas fundamentales, tomando como ejemplo la fuerza nuclear fuerte, ¿tendrán el mismo efecto en cuerpos sólidos que en cuerpos en estado líquido?

Glosario

Shutterstock, (2017) . 324931601

cohesión. Es la atracción entre moléculas que mantiene unidas las partículas de un cuerpo o sustancia. análisis. Es la separación de las partes para conocer su composición.

Figura 1.1.

Figura 1.2. Estructura interna de polipropileno.

Las fuerzas externas son interacciones ejercidas por otros cuerpos o el medio que rodea al objeto en análisis.

Dato curioso

Shutterstock, (2017) . 427927183

La teoría de unificación es aquella que enlaza a tres de las cuatro fuerzas fundamentales naturales. El electromagnetismo es trasladado por fotones. La fuerza fuerte es trasladada por partículas llamadas gluones.

gluón

quark abajo

quark arriba

Figura 1.3.

En el caso de la Figura 1.3., tenemos que las fuerzas externas que actúan sobre el carrito son: la fuerza con la que hala la mujer, el peso del carrito, el peso de la niña sentada sobre el carrito, la fuerza que ejerce el piso sobre las ruedas y el rozamiento entre las ruedas y el piso. Las fuerzas como el rozamiento, la cohesión interna y el peso se agrupan en cuatro grupos de interacciones o de fuerzas fundamentales, las cuales son: • gravitatoria, • electromagnética, • nuclear débil, • nuclear fuerte. La interacción depende de la naturaleza y de la disposición de los cuerpos en el medio ambiente (considerando que el medio ambiente son los objetos con los que puede interactuar el objeto estudiado). La fuerza gravitacional es la más débil de las cuatro. La fuerza electromagnética se caracteriza por ser tanto de repulsión como de atracción, dependiendo de la disposición de las cargas eléctricas de un cuerpo. Esta fuerza mantiene a los electrones orbitando alrededor del átomo. Además, la fuerza electromagnética permite formar moléculas por la interacción de los átomos.

Maya Ediciones, (2017).

quark arriba

Interacción entre quarks en un protón.

TIC En este enlace encontrarás una explicación breve y más precisa de la teoría de la unificación: https://prezi.com/jqy5rzjkejx_/teoria-de-la-unificacion-de-la-fisica/

Evaluación formativa CE.CN.F.5.20. Fundamenta las cuatro fuerzas de la naturaleza: electromagnética (mantiene unidos electrones y núcleo atómico), nuclear fuerte (mantiene unidos en el núcleo a los protones y neutrones), nuclear débil (responsable de la desintegración radioactiva, estableciendo que hay tres formas comunes de desintegración radiactiva: alfa, beta y gamma) y, finalmente, gravitacional, valorando los efectos que tiene la tecnología en la revolución industrial.

Fuerza interna

Fuerza externa

_________________________________________________

Con líneas, une los fenómenos con la correspondiente fuerza fundamental a la que se les atribuye. Algunos de ellos pueden unirse con más de una fuerza.

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Define con tus propias palabras:

Rozamiento Lluvia

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Atracción entre metales e imán Unión de átomos Tormenta eléctrica

Maya Ediciones, (2017).

Mareas Radioactividad Estructura atómica

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Rayo láser

Shutterstock, (2017). 79453411

Describe cuáles son las fuerzas externas que actúan sobre el vehículo en la siguiente imagen.

Menciona algunos otros ejemplos cotidianos que permitan entender de mejor manera el concepto de fuerza. ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Además de producir movimiento o detenerlo, ¿qué más puede provocar una fuerza sobre un cuerpo? ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________ ___________________________________________________________________________________________________

Actividad investigativa Indaga sobre la importancia de conocer la naturaleza de las interacciones fundamentales en la tecnología y los efectos de la tecnología en la Revolución Industrial.

Trabajo colaborativo En parejas, elijan dos objetos que tengan a la mano: obsérvenlos e identifíquenlos. ¿De qué manera actúan las fuerzas fundamentales sobre aquellos objetos?

Estrategia de investigación Para determinar, por ejemplo, la importancia de un tema, puede suceder que a veces no encontremos bibliografía directa que hable sobre aquello específicamente. Sin embargo, podemos valernos de información relacionada y conectarla con nuestras propias ideas y opiniones.

Diversidad funcional en el aula En caso de que exista una discapacidad o una dificultad auditiva, es importante situarse en un lugar donde la acústica sea mejor o desde donde se pueda realizar lectura labial.

CN.F.5.1.20. Reconocer que la fuerza es una magnitud de naturaleza vectorial, mediante la explicación gráfica de situaciones reales para resolver problemas donde se observen objetos en equilibrio u objetos acelerados.

Diagrama de cuerpo libre

Saberes previos Cuando solicitamos ayuda sobre una dirección en un lugar desconocido, siempre pedimos un punto de referencia, algún lugar que nos resulte familiar, de tal forma que podamos ubicarnos. Para ti, ¿qué significa punto de referencia?

Tomemos el ejemplo presentado en la Figura 1.4.

F₂

F₁ 30º

F₃

Cuando decimos que una fuerza tiene magnitud, dirección y sentido, estamos hablando de un vector. ¿Eso quiere decir que a las fuerzas también las podemos descomponer en componente X y componente Y? ¿Podemos, entonces, realizar operaciones con fuerzas y obtener valores unitarios de dirección?

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F₅

Desequilibrio cognitivo 45º

Caja

F₄

Figura 1.4.

Tenemos una caja en equilibrio, sometida a varias fuerzas. Al analizar cada una de las fuerzas (Figura 1.5.) que se presentan sobre el objeto, determinamos que existen tres partes fundamentales que las componen: magnitud, dirección y unidad asociada. Eje y (+)

Glosario equilibrio. Condición de un cuerpo que se mueve con velocidad constante o que se mantiene en su posición sin movimiento, por no existir una fuerza neta que produzca aceleración (primera ley de Newton). esbozo. Bosquejar, definir los contornos de una cosa.

30º Eje x (+) Figura 1.5.

Definimos como magnitud al valor que adquiere la fuerza acompañada con sus correspondientes unidad y dirección hacia donde apunta la saeta. Toda magnitud que posee estos tres componentes se denomina, en física, magnitud vectorial. Una magnitud escalar, en cambio, es aquella que únicamente tiene un valor acompañado por su correspondiente unidad. Para analizar el “estado” de un cuerpo, empleamos el diagrama de cuerpo libre. Un diagrama de cuerpo libre es una representación gráfica de un cuerpo y de todas las fuerzas externas que se encuentren actuando sobre él. Para empezar con el diagrama, debemos tomar en cuenta que: • •

Maya Ediciones, (2017).

45 N

Al cuerpo que analizaremos lo consideramos indeformable. Existen fuerzas que intervienen o no con el objeto en análisis y su movimiento.

En el ejemplo que se muestra (Figura 1.6.), vemos la palanca que está usando el ladrón para entrar por la puerta. Describimos, entonces, paso por paso el proceso que se seguirá y que comúnmente se repite para dibujar el diagrama de cuerpo libre.

Procedimiento para dibujar el diagrama de cuerpo libre (DCL)

Glosario eje de referencia. Es un sistema de coordenadas cartesianas que se define por dos ejes ortogonales en un sistema bidimensional y por tres ejes ortogonales en un sistema tridimensional. Los ejes se cortan en el origen.

Shutterstock, (2017).492244150

Buen vivir

Figura 1.6.

1. Debemos estar seguros de qué cuerpo es el que vamos a aislar del resto de cuerpos en el sistema. En este caso, será la palanca. y

La naturaleza es el mejor salón de clases. La observación continua del entorno nos permite diversificar nuestro conocimiento. Vivir en armonía con la naturaleza ayudará a que nuestro legado sea un mundo mejor, un mundo al que cada vez lo entendamos aún más.

Fa1

Peso

FN1 FN2

Peso

Figura 1.7. A la izquierda, las fuerzas sobre la palanca. A la derecha, las fuerzas en el plano cartesiano. Debemos tomar en cuenta que la mayoría de las direcciones de las fuerzas sobre la palanca son oblicuas. Por eso hemos elegido ejes inclinados.

2. Realizamos un esbozo del cuerpo aislado y lo ubicamos el plano de coordenadas (eje de referencia). Respecto a este plano de coordenadas se colocarán las fuerzas que interactúan con el cuerpo (Figura 1.7.). Las fuerzas que se colocan en un diagrama de cuerpo libre son únicamente las externas (por ejemplo: contacto con la superficie de otro cuerpo [fuerza normal], fuerza de tensión, fuerzas de rozamiento, etc.). 3. Debemos asegurarnos que los cuerpos que eliminamos del medio de la caja correspondan al mismo número de fuerzas que debemos graficar en el diagrama. En este caso eliminamos: las fuerzas que ejercen las manos sobre la palanca (Fa1 y Fa2), la fuerza que ocasionan la puerta y el marco sobre la palanca (FN2 y FN1), y el peso que ejerce la Tierra. 4. Se deben graficar las fuerzas con su dirección y la información que se tiene. 5. En caso de duda sobre la dirección de una fuerza en particular, imaginamos qué pasaría si no existiera esa fuerza y nos daremos cuenta de la dirección.

Shutterstock, (2017).415391470

Fa2

Maya Ediciones, (2017).

Evaluación formativa CE.CN.F.5.4. Elabora diagramas de cuerpo libre y resuelve problemas para reconocer los sistemas inerciales y los no inerciales, la vinculación de la masa del objeto con su velocidad, el principio de conservación de la cantidad de movimiento lineal, aplicando las leyes de Newton (con sus limitaciones de aplicación) y determinando el centro de masa para un sistema simple de dos cuerpos.

Identifica las fuerzas existentes en las siguientes imágenes.

a) En el volante y la palanca de cambio. Shutterstock, (2017) . 152529926

b) En el datáfono mientras se digita un número. Shutterstock, (2017) . 525772249

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Describe, con tus propias palabras y mediante un cuerpo de uso cotidiano, el proceso que debe seguirse para dibujar adecuadamente un diagrama de cuerpo libre.

Pasos

Dibuja un objeto cotidiano junto a aquellos con los que interactúa

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DCL

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Shutterstock, (2017) . 524250877

Dibuja el correspondiente diagrama de cuerpo libre para las fuerzas que actúan sobre el cuerpo señalado en la imagen.

Conociendo que una fuerza se caracteriza por causar tres fenómenos, • cambia el estado de un cuerpo; • en el caso de que el cuerpo se encuentre en movimiento, cambia la dirección o sentido del movimiento; • deforma el cuerpo sobre el que se aplica la fuerza, analiza, indaga e investiga: ¿Qué consideramos como cuerpo indeformable? ¿Por qué será necesario considerarlo como tal en el análisis del diagrama de cuerpo libre?

Estrategia de investigación En una investigación debemos empezar por indagar, es decir, preguntar, inquirir y discurrir para luego recoger toda la información investigada y llegar a descubrir lo que buscamos.

Trabajo colaborativo En parejas analicen el rebote de una pelota cualquiera. Dibujen un diagrama de cuerpo que represente el instante en el que el balón está en el aire, y uno que represente el instante en el que choca contra el piso. Respondan: ¿se obtiene el mismo resultado?

Diversidad funcional en el aula Mantener contacto visual es clave cuando hay discapacidad o dificultades auditivas.

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Peso y fuerza normal

Saberes previos Al peso propio de un cuerpo, ¿lo consideramos como una fuerza interna o una fuerza externa con respecto al cuerpo? ¿Por qué?

Si en algunos casos la fuerza que actúa en un cuerpo como consecuencia del contacto con una superficie es igual al peso del cuerpo, ¿será suficiente tener como dato la masa del cuerpo para obtener esta fuerza?

Shutterstock, (2017). 556110481

Desequilibrio cognitivo

Supongamos que, en una fábrica, uno de los trabajadores, tratando de llegar al estante más alto con un grupo de cajas en sus manos, resbala de las escaleras. Las cajas caen y se detienen al llegar al piso.

TIC En el siguiente video, podemos ver de mejor manera cómo actúa la fuerza normal en un cuerpo.

Shutterstock, (2017) . 252245116

www.mayaediciones.com/fis2/ p24

Diagrama de cuerpo libre

Caja Trabajador que resbala.

P= m.g

Maya Ediciones, (2017).

Cuerpo

Caja

Piso

Figura 1.8. DCL. Donde: FN= fuerza normal m • g = P (peso del cuerpo)

Nos parece lógico que las cajas se detengan al topar el suelo, pero exactamente, ¿qué es lo que provoca que las cajas se detengan? ¿Por qué no atraviesan el piso? ¿O por qué no lo hace el trabajador? ¿Qué fuerza lo impide? Realizando el diagrama de cuerpo libre con base en una de las cajas, una vez que esta llega al piso, tenemos la gráfica que muestra la Figura 1.8. Sabemos que la caja tiene peso, por eso cae, y sabemos que el piso ejerce una fuerza sobre la caja, por eso se detiene. A la fuerza que ejerce el piso la llamamos fuerza normal (Figura 1.8.).

La fuerza normal (FN) es una interacción electromagnética. Dependiendo de la cohesión existente en la estructura interna a nivel molecular, hay dureza o flexibilidad en los materiales. Las fuerzas normales son interacciones entre las superficies de contacto, y se dan por repulsión eléctrica entre los campos eléctricos que constituyen a cada cuerpo. La fuerza normal es perpendicular a la superficie de contacto.

Sabías que Muchos insectos pueden caminar sobre el agua, pues no se rompe la cohesión entre las moléculas del agua. Shutterstock, (2017) . 520436464

Al igual que la fuerza normal, el peso (P) es una magnitud vectorial que actúa sobre todos los cuerpos que tienen masa (m). La magnitud del peso (P) depende de la aceleración de la gravedad en ese punto, y de la cantidad de materia, es decir, de la masa (m) que posee el cuerpo en análisis.

Shutterstock, (2017) . 562123318

La fuerza normal no está ligada al peso del cuerpo y depende de: • la superficie de contacto, • la magnitud de la fuerza externa que interactúa con el cuerpo. En el diagrama de cuerpo libre de la caja, la fuerza normal hacia arriba indica la reacción que provoca el piso sobre la caja. La cohesión de las moléculas que conforman el piso evita que la caja continúe cayendo, pues la cohesión detiene el movimiento de cada una de las partículas que componen la caja. Por ello, cuando caemos al agua podemos atravesar la superficie, pues la cohesión de las moléculas es menor en el estado líquido que en el estado sólido.

Un experimento que puedes hacer en casa es colocar con mucho cuidado un imperdible sobre el agua en un recipiente, y el imperdible quedará suspendido sin romper la superficie de cohesión entre las moléculas del agua (al igual que sucede con un insecto). A esta fuerza de cohesión se la denomina tensión superficial.

Shutterstock, (2017) . 403461553

El peso de cualquier objeto siempre se dirige hacia abajo, hacia la Tierra (más específicamente, hacia el centro del planeta). Al ser una interacción gravitacional, el peso depende de la aceleración que provoca la gravedad. Un error muy frecuente es pensar que la fuerza normal es la reacción al peso. Esto no es así. La fuerza normal es la fuerza que ejerce la superficie de contacto y resulta que es reacción a la fuerza que ejerce el cuerpo sobre la superficie. La reacción al peso sería la fuerza gravitacional que ejercemos sobre la Tierra.

Completa los espacios en blanco con verdadero o falso, según corresponda. En caso de responder falso, explica tu respuesta. a) En el ejemplo de las cajas, la fuerza normal es igual al peso del cuerpo. En el análisis de cualquier otro cuerpo, ¿se debe considerar esta igualdad como regla general? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

b) El peso (P) depende únicamente de la masa que contiene un cuerpo. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Maya Ediciones, (2017).

Realiza un diagrama de las fuerzas sobre el bloque de la figura, suponiendo que este se encuentra en reposo.

Actividad investigativa Indaga y responde a las siguientes interrogantes: a) ¿Cuándo existe una fuerza normal? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

Estrategia de investigación Facilita la investigación empezar por obtener nociones de lo que estás investigando para luego profundizar en tus conocimientos.

b) ¿Cuándo un cuerpo tiene peso? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

c) ¿Cuál es la naturaleza de cada una de las fuerzas? Peso: __________________________________________________________________________________________________ Fuerza normal: ________________________________________________________________________________________ La tensión de una cuerda: _____________________________________________________________________________

Trabajo colaborativo En parejas, dibujen por separado un esbozo del cuerpo que se muestra en la figura, y señalen la respectiva dirección del vector de la fuerza normal ejercida por:

Shutterstock, (2017) . 237151969

a) El escritorio sobre una computadora portátil.

b) El asiento del columpio sobre la niña. y (+)

45º

Maya Ediciones, (2017).

Shutterstock, (2017) . 152777972

x (+)

c) El rizo sobre la bicicleta.

Maya Ediciones, (2017).

Comparen sus respuestas, intercambien opiniones y determinen la respuesta correcta.

Diversidad funcional en el aula Adopten en su vocabulario ‘persona con discapacidad’ y nunca ‘discapacitado’, ‘minusválido’, ‘inválido’ o ‘incapacitado’.

Saberes previos Supongamos que estás caminando sobre hielo. Para dejar de resbalar, ¿qué harías y por qué lo harías?

Desequilibrio cognitivo

Shutterstock, (2017) .351786626

Fuerza de rozamiento Pongamos nuestra mano en contacto con la baldosa y movámosla sobre la superficie, manteniéndola siempre en contacto. Ahora busquemos una superficie de madera y hagamos lo mismo. ¿Notaste la diferencia? Por medio de la vista podemos encontrar diferencias entre ambos materiales (el color, la forma, etc.). Con el tacto percibimos la diferencia de textura que existe entre la baldosa y la madera (e incluso con la vista podríamos notar esa diferencia). Pero qué sucede en este ejemplo: si ponemos la mano sobre un pedazo de madera de roble con un excelente acabado y luego sobre un pedazo de madera de eucalipto que tiene igualmente un excelente acabado, ¿habrá alguna diferencia que podamos percibir con el tacto? Podemos ver (Figura1.9.) a nivel molecular que aunque las superficies de los bloques de madera estén bien pulidas, aún habrá presencia de irregularidades que no facilitan el movimiento sobre dichas superficies. Las vetas que tiene cada tipo de madera le otorgan diferente irregularidad.

Shutterstock, (2017). 270788375

Maya Ediciones, (2017).

Dato curioso

Figura 1.9.

Este coeficiente dependerá del material del que estén compuestas las superficies sobre las que se encuentran apoyadas los cuerpos; F N es el vector fuerza normal que ejerce el contacto de un objeto con el cuerpo en análisis. Existen dos coeficientes de fricción, uno estático y otro al que denominamos cinético. Con el siguiente ejemplo, los diferenciaremos mejor el uno del otro.

Shutterstock, (2017) . 339522572

TIC Mira el simulador de fuerzas y movimiento en este enlace: www.mayaediciones.com/fis2/ p29

Figura 1.10.

Pulsa en fricción, realiza varias pruebas para responder: ¿Cúal es el valor del coeficiente de rozamiento estático y cinético sobre la caja y sobre el refrigerador?

μk

Cobre sobre acero

0,53

0,36

Acero sobre acero

0,74

0,57

Aluminio sobre acero

0,61

0,47

Caucho sobre concreto

1,0

0,8

Madera sobre madera

0,25 - 0,5

0,2

Madera encerada sobre nieve húmeda

0,4

0,1

Teflón sobre teflón

0,04

Superficies de contacto

(Serway, 1992, p. 121)

Evaluación formativa I.CN.F.5.4.1. Elabora diagramas de cuerpo libre, resuelve problemas y reconoce sistemas inerciales y no inerciales, aplicando las leyes de Newton, cuando el objeto es mucho mayor que una partícula elemental y se mueve a velocidades inferiores a la de la luz. (I.2., I.4.)

Contesta las siguientes preguntas. ¿Cuándo existe fuerza de rozamiento? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

¿A qué interacción fundamental corresponde la fuerza de rozamiento? Explica tu respuesta. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

¿De qué factores depende la fuerza de rozamiento? ¿Por qué depende de esos factores? Explica con tus propias palabras. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

El coeficiente de fricción cinética o estática puede tener un valor mayor a 1. ¿Sí o no? ¿En qué caso podría tomar un valor mayor a la unidad? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

¿Cuándo podemos considerar como despreciable la acción de la fuerza de rozamiento? Explica mediante el empleo de un ejemplo cotidiano. Realiza un diagrama de cuerpo libre. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ ______________________________________________________________________________________________________

Actividad investigativa Indaga: ¿existen casos en que puede haber una fuerza de rozamiento considerable entre superficies lisas? _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________ _____________________________________________________________________

Estrategia de investigación En un buscador de Internet, trata de definir adecuadamente las palabras clave, y cerciórate de que la información encontrada es la que realmente estás buscando. Contrasta la información con otras fuentes.

Si decimos que el coeficiente de fricción cinética aparece una vez que el cuerpo ya se ha puesto en movimiento, ¿el valor del coeficiente cinético debería ser mayor, menor o igual que el coeficiente estático? ¿Por qué? ¿Cambia el valor de la fuerza normal en alguno de los dos casos?

Shutterstock, (2017). 328783292

Movimiento

Shutterstock, (2017). 187597625

Reposo

Describe. Un elefante con una masa aproximada de una tonelada se sube sobre una plataforma engrasada. Suponiendo que a esta plataforma se le adaptan cohetes turbo propulsores para que se eleve del piso, y suponiendo que los cohetes son capaces de levantar el peso del elefante, en el caso de que se enciendan los propulsores, ¿se mantendría el elefante sobre la plataforma? ______________________________________________________________________________

Shutterstock, (2017) . 114499252

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Trabajo colaborativo El deporte que se muestra en el video (blog: https://vine. co/4e904534-f5df-4767-89ca-2e3ab444ddc4) se denomina curling. Poniendo en práctica lo aprendido, analicen en parejas: ¿de qué manera interviene el rozamiento en este deporte? ___________________________________________________________________ ___________________________________________________________________

Diversidad funcional en el aula ¿Sabías que el mayor problema que enfrenta una persona con discapacidad no son las dificultades físicas o mentales, sino los obstáculos y prejuicios que le impone la sociedad?

Supongamos que en el mismo vehículo que te desplazas se encuentra un elefante. Tú estás sentado junto al elefante, en el asiento de atrás. El conductor no se percata de la curva a la que se aproxima, y entra en ella a toda velocidad. ¿A qué se debe que el elefante te aplaste?

Ley de inercia Todo cuerpo se mantiene en su estado de movimiento o reposo (Figura 1.11.)...

Desequilibrio cognitivo Figura 1.11.

… a menos de que exista una perturbación (fuerza) que cambie dicho estado (Figura1.12.).

INERCIA

Maya Ediciones, (2017).

Hoy en día, el reposo y el movimiento uniforme son considerados como estado de equilibrio. ¿Por qué crees que antes de las investigaciones de Galileo no se consideraba el movimiento uniforme como de estado natural?

Maya Ediciones, (2017).

Saberes previos

CN.F.5.1.16. Indagar los resultados de Aristóteles, Galileo y Newton, para comparar sus experiencias frente a las razones por las que se mueven los objetos y despejar ideas preconcebidas sobre este fenómeno, con la finalidad de conceptualizar la primera ley de Newton (ley de la inercia) y determinar por medio de la experimentación que no se produce aceleración cuando las fuerzas están en equilibrio, por lo que un objeto continúa moviéndose con rapidez constante o permanece en reposo (primera ley de Newton o principio de inercia de Galileo).

Figura 1.12.

Newton y Galileo La primera y segunda leyes de movimiento propuestas por Newton ya habían sido publicadas por Galileo. Las observaciones a los cuerpos celestes y la interpretación de fenómenos que sucedían alrededor permitieron introducir conceptos que para la época no habían sido tratados por creer que la verdad ya había sido determinada por otros investigadores como Kepler o Aristóteles.

Galileo (Italia, 1564-1642), en su obra Diálogos sobre los dos grandes sistemas del mundo (1632), ya tuvo una noción de lo que años después se dedicaría Isaac Newton a investigar. Galileo trata temas como la inercia y nos conduce hacia un nuevo concepto de fuerza, entendida como la causa de la modificación del movimiento: “Para que un cuerpo permanezca en movimiento, simplemente hay que dejarlo”. (https://prezi.com/iek5i0z7momk/galileo-galilei/) El concepto de reposo como único estado natural de un cuerpo se desecha, y se incluye también el movimiento uniforme como estado de movimiento. Luego, los puntos de partida de los estudios realizados por Isaac Newton se basan en la obra de Galileo y se ven reflejados en su obra más famosa, Philosophiæ naturalis principia mathematica, donde describe la ley de la gravitación universal y establece las bases de la mecánica clásica mediante las leyes que rigen a los cuerpos dentro de los sistemas inerciales.

La primera ley de Newton nos introduce al concepto de inercia. La inercia es la tendencia que un cuerpo tiene por mantener su estado (equilibrio o movimiento). Esto nos indica que es imposible que un cuerpo pueda cambiar su estado por cuenta propia. Las fuerzas que interactúan con el cuerpo en su medio son las que producen que cambie. Imaginemos la siguiente escena: si en este momento salimos del planeta (Figura1.13.), lo lograremos impulsados por la fuerza que provocan los propulsores de la nave sobre el suelo. Una vez que salgamos de la acción de la gravedad, encontrándonos lo suficientemente lejos del planeta, será necesario detenernos de alguna manera. Fuera del alcance de la fuerza de la gravedad de la Tierra, es imposible detenernos. Si no hacemos algo, nos perderemos en la oscuridad del espacio. Dentro del planeta las fuerzas que actúan sobre nuestro cohete (Figura 1.14.):

F= Fuerza producida por los cohetes Fr= Fuerza de rozamiento producida por el aire Maya Ediciones, (2017).

Shutterstock, (2017). 278246975

P= m . g

Figura 1.13.

Figura 1.14.

Más allá de la acción gravitacional, tenemos que el movimiento se vuelve uniforme. Entonces, la sumatoria de fuerzas netas que actúan sobre el cuerpo es: F=0

Esta es la ecuación matemática que describe la primera ley de Newton. No es necesario constatar la ausencia de fuerzas para definir la primera ley; estando en Tierra, si las fuerzas se anulan entre sí, diremos que el cuerpo se encuentra en equilibrio. Por ejemplo, cuando estamos sentados quietos, nuestro peso es contrarrestado con la fuerza que ejerce la silla, y si por inquietos nos caemos, existe un desequilibrio mientras estamos cayendo y nuevamente en el piso volvemos a estar en equilibrio. Nuestro peso es contrarrestado con la fuerza que ejerce ahora el piso sobre nosotros. Durante la caída solo existía la resistencia del aire que, desde luego, es demasiado pequeña para impedir nuestra caída.

Shutterstock, (2017) . 81842473

Shutterstock, (2017) . 228863932

Estrategia de investigación Para indagar necesitamos tratar de llegar a conocer por medio de la reflexión y conocimientos adquiridos o consultados.

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Shutterstock, (2017) . 336716138

http://pbs.twimg.com/media/C40ETWgWEAIYhZ1.jpg:large

70º

CN.F.5.1.18. Explicar la tercera ley de Newton en aplicaciones reales.

Saberes previos ¿Cuál es la diferencia que existe entre el agua y el concreto, cuando consideramos que no podemos apoyarnos en el agua líquida, pero sí en una pared hecha de concreto?

Desequilibrio cognitivo

Ley de acción y reacción Salta varias veces en el lugar que está junto a tu asiento. ¿Te has preguntado alguna vez cómo el suelo sostiene nuestro peso? (Figura 1.15.). Esto se debe a que el material es lo suficientemente fuerte para crear una reacción opuesta a la que generamos. En este caso, la baldosa o la madera son lo suficientemente fuertes para soportar nuestro peso.

¿Por qué si a toda acción corresponde una reacción, estas fuerzas no se anulan entre sí?

Shutterstock, (2017). 393939382

Humor

Figura 1.5.

La tercera ley de Newton (o ley de acción y reacción) sostiene lo siguiente: Si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B (una “acción”), entonces B ejerce una fuerza sobre A (una “reacción”).

Maya Ediciones, (2017).

Figura 1.16.

En la Figura 1.16., tenemos un martillo (cuerpo A) que golpea un clavo (cuerpo B). La reacción que existe a consecuencia del golpe envía hacia atrás el martillo y hace que el clavo penetre en la madera. 36

Las fuerzas no se eliminan a pesar de que tengan la misma magnitud y dirección opuesta, porque actúan en diferentes cuerpos. Solo una de las fuerzas aparece en el cuerpo, dependiendo de cuál de ellas estemos analizando. Por ejemplo, en la Figura 1.17. vemos a una chica empujando un bloque.

TIC Para recordar de modo resumido las tres leyes de Newton, puedes visitar este enlace: www.mayaediciones.com/fis2/ p37

Shutterstock, (2017). 407181328

Buen vivir

Figura 1.17.

Shutterstock, (2017). 407181328

Si realizamos un diagrama de cuerpo libre, primero de la chica y luego, únicamente, del bloque, el diagrama quedaría de la siguiente manera:

Es importante mejorar la relación entre seres humanos, pues vivimos en conjunto. Los ritos ancestrales, por ejemplo, forman parte de nuestras comunidades indígenas y es importante respetarlos. El objetivo común que deberíamos alcanzar es generar un ambiente en el que podamos convivir en armonía.

Figura 1.18.

Es necesario recalcar, entonces, que todas las fuerzas externas deben estar representadas en el diagrama de cuerpo libre para el análisis, de tal manera que no omitamos información importante. También hay que considerar que siempre existe un par de fuerzas y esto se da en la interacción entre los cuerpos.

Completa el siguiente cuadro con la acción y reacción que corresponda a cada uno de los ejemplos.

Acción

Reacción

Shutterstock, (2017) . 487174441

Shutterstock, (2017) . 143402812

Ejemplo: Niñas y pelota para saltar

Shutterstock, (2017) . 631502909

Una pelota de fútbol se mueve hacia la pared de una habitación y queda en reposo cuando llega hasta ella. Dibujando el diagrama de cuerpo libre del balón, determina qué fuerzas actúan. Una vez que la pelota ha llegado al reposo, ¿cuáles son la dirección y el sentido de cada una de las fuerzas?

Shutterstock, (2017) . 532660150

Se dispara hacia un blanco ubicado a 100 metros a la derecha de la persona que sostiene el arma. La bala sale expulsada del cañón de la pistola con una fuerza media aproximada de 1 000 N. Inmediatamente después de realizar el disparo, el arma se mueve hacia la _________________________________ con una fuerza media igual a _________________________________. La bala se mueve hacia la _________________________________ con una fuerza media de _________________________________.

Dibuja el diagrama de cuerpo libre que corresponde al vehículo de la imagen que se mueve con velocidad uniforme. Aplica la primera ley de Newton.

Shutterstock, (2017) . 59139016

Completa los espacios en blanco con la información que corresponda.

Actividad investigativa Indaga: ¿por qué las leyes de Newton no funcionan a nivel de las partículas elementales? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

Estrategia de investigación El determinar los aspectos fundamentales de una investigación es muy importante para lograr nuestro cometido.

Trabajo colaborativo La tercera ley de Newton no solo se cumple en las ciencias naturales. Como se puede observar en muchas situaciones de la cotidianidad, toda acción ocasiona una reacción en el tiempo. Discutamos: ¿alguna vez has sentido la reacción que has ocasionado con alguna acción que provocaste?

Diversidad funcional en el aula Cuando una persona tiene dificultades o problemas de motricidad, es importante tener en cuenta que los desplazamientos y ritmos no siempre se ajustarán a los de los demás.

CN.F.5.1.19. Reconocer sistemas inerciales y no inerciales a través de la observación de videos y análisis de situaciones cotidianas, y elaborar diagramas de cuerpo libre para conceptualizar las leyes de Newton, y resolver problemas de aplicación.

Sistemas inerciales y no inerciales

Saberes previos ¿Tendrá la misma observación de un fenómeno aquella persona que se encuentra mirándolo desde un auto en movimiento y otra persona que lo mira sentado en una vereda?

Un hombre acaba de cortar madera y la apila en el piso (Figura 1.19.).

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Desequilibrio cognitivo ¿Las leyes de Newton se cumplirían tanto en un sistema inercial como en uno no inercial?

Figura 1.19.

TIC

Para llevar la madera a casa, sube la pila de troncos a la camioneta y, apenas acelera, la pila cae y algunos troncos caen desde la camioneta hacia el piso. Una cámara de seguridad, ubicada en lo alto de un árbol, graba al hombre mientras este baja del auto, desconcertado, para ver qué ocurrió con la pila de troncos. En esta escena tenemos dos observadores claves: el hombre que maneja y la cámara de seguridad que filma. Desde el punto de vista de la cámara, la camioneta se alejaba con aceleración, y los troncos que cayeron se movieron un poco hacia adelante. Desde el punto de vista del conductor, los troncos que cayeron se fueron hacia atrás de la camioneta, pues actuaba una fuerza contraria al movimiento sobre los troncos que hacía que estos cayeran de la camioneta. Si nuestro sistema de referencia parte desde el punto de vista de la cámara, decimos que es un sistema de referencia inercial. Si parte desde el punto de vista del conductor, denominamos el sistema como no inercial. Los sistemas inerciales son aquellos que no tienen aceleración y están en reposo o tienen un movimiento rectilíneo uniforme. Los sistemas no inerciales son los que se mueven con aceleración respecto a un sistema inercial.

Mira el video: www.mayaediciones.com/ fis2/p40 y discútelo con tus compañeros en clase.

a a=0

Maya Ediciones, (2017).

V constante

Sistema inercial

Sistema no inercial

Ejercicio Una persona (Figura 1.20.) empuja hacia arriba una caja de 20 kg sobre un plano que tiene una inclinación de 30° con respecto a la horizontal. En un punto sobre la pendiente, la persona se detiene. Conociendo que el coeficiente de fricción estático entre la superficie de rodadura y la caja es de 0,7, ¿cuál es la fuerza mínima que debería aplicar sobre la caja para que esta no resbale hacia abajo? Eje y (+) Eje x (+)

Maya Ediciones, (2017).

30º

P=m.g

30º

Sabías que Ernest Hemingway apreciaba mucho una copa de vino y nunca perdía la oportunidad de acompañarla con un buen libro. Durante un viaje en tren, el novelista (que iba sentado en el vagón comedor) charlaba con el mesero. El tren de pronto se detuvo y la copa llena de vino se derramó sobre él. Una persona fuera del tren observó cómo el novelista se enfureció por no saber qué había ocurrido con la copa. Shutterstock, (2017). 332663489

Figura 1.20.

En el ejemplo mostrado, la fuerza F es la que necesitamos encontrar. FN

Eje y (+)

Maya Ediciones, (2017).

Eje x (+)

30º F

P=m.g

Figura 1.21.

Aplicando la primera ley de Newton, y considerando que no existe movimiento en ninguno de los ejes:

Ernest Hemingway.

F=0

F X =0

F - FR - mgsen30 = 0 F = FR + mgsen30 F = μs FR + mgsen30

(1)

F Y =0

FN = mg cos30 (2) Reemplazando (2) en (1), tenemos: F = μs mg cos30 + mgsen30 (2) Reemplazando los datos conocidos, tenemos: Fmín = 0,7 ∙ 20 ∙ 9,81 cos30 + 20 ∙ 9,81 sen30 Fmín = 217 N Vemos entonces que en un sistema inercial como el mostrado no actúan fuerzas ficticias que produzcan movimiento, y que las leyes de Newton son suficientes para explicar el cambio de estado de movimiento de un cuerpo. 41

Evaluación formativa CN.F.5.1.19. Reconocer sistemas inerciales y no inerciales a través de la observación de videos y análisis de situaciones cotidianas y elaborar diagramas de cuerpo libre para conceptualizar las leyes de Newton, resolver problemas de aplicación.

Después de revisar los dos ejemplos anteriores, define con tus propias palabras lo que es un sistema de referencia inercial. Anota un ejemplo que se parezca a los mostrados.

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Contesta las siguientes preguntas. a) ¿Por qué es importante reconocer el tipo de sistema en el que nos encontramos trabajando antes de realizar el análisis de cuerpo libre? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

b) ¿A qué denominamos “fuerzas ficticias” dentro de los sistemas de referencia inerciales y no inerciales? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

c) Los sistemas que se mueven con velocidad uniforme respecto a un sistema inercial, ¿se consideran inerciales o no inerciales? ¿Por qué? _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Actividad investigativa Mira el simulador del enlace: www.educaplus.org/game/sistemas-de-referencia Indaga sobre los sistemas de referencia en la física relativista de Einstein.

Estrategia de investigación En una investigación es importante cuantificar los datos obtenidos, es decir, medir las variables objetivamente, intentando comprender lo que se investiga.

Describe y analiza las siguientes escenas. ¿Qué tipo de sistema de referencia inercial o no inercial se da en los literales a y b al considerar a los ascensores que suben y bajan con cierta aceleración? a) El sistema de referencia en el ascensor con aceleración constante. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

b) El sistema de referencia en la base del edificio. _____________________________________________________________ _____________________________________________________________ Shutterstock, (2017). 329784905

Describe el sistema de referencia ubicado en la bicicleta que se mueve con rapidez constante si es un sistema inercial o no inercial. Explica por qué.

Shutterstock, (2017). 212882305

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Trabajo colaborativo Indaguen en parejas y discutan: ¿debería considerarse el planeta Tierra como un sistema de referencia inercial o no inercial? ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________

Diversidad funcional en el aula Si una persona tiene discapacidad auditiva o dificultades para escuchar, es necesario encontrar otras formas de comunicación (por ejemplo, escribir el mensaje que se quiere hacer llegar).

Ciencia, tecnología y sociedad Una estructura metálica desmontable permite el transporte de materiales pesados, pues se apoya sobre suelo firme. Esta estructura emplea el principio de equilibrio estático.

Shutterstock, (2017). 509490574

Grúas de carga: grúa torre Componentes

Pluma

Contrapeso

Soporte giratorio

F=0

Órgano de aprehensión

Torre

El peso máximo que puede soportar la grúa depende del contrapeso que tenga.

Lastre

Uso

Construcción

Shutterstock, (2017). 583952110

Shutterstock, (2017). 121327705

Tipos

¿Cómo se investiga en física? La idealización de un fenómeno de manera un poco más abstracta nos permite generar, posteriormente, lo que se denomina prototipo. Uno de los primeros modelos de física se generó con la teoría de la relatividad de Galileo. Según Galileo, nuestra percepción del espacio estaría entorpecida por el sistema de referencia que tomáramos. Por ejemplo: Si por un camino una chica corre, mientras otra persona está quieta, la chica notará claramente que es ella la que se aproxima a la persona que está quieta. Pero, en el caso de que estuviésemos en un espacio vacío sin referencias, y dentro de ese espacio solo hubiesen dos objetos, uno acercándose al otro, ¿cómo podríamos saber cuál de ellos es el que se está aproximando hacia el otro? Esta idealización da como conclusión que el espacio y sus componentes son relativos y que no existe nada absoluto.

Shutterstock, (2017) . 274285517

A finales del siglo XIX, Albert Michelson y Edward Morley demostraron que el modelo de Galileo no estaba del todo en lo correcto. Mediante un prototipo (el interferómetro) demostraron científicamente que la luz es el único componente del espacio que tiene velocidad absoluta. Es decir, si pudiésemos movernos a la velocidad de la luz y disparásemos un haz de luz, este haz se movería con respecto a nosotros y a cualquier observador también a la velocidad de la luz. Un prototipo es una representación más concreta de lo que queremos obtener, y se caracteriza por probar nuevas ideas que generen de mejor manera las condiciones o características naturales de un fenómeno o un elemento. En los prototipos se van probando mejoras de acuerdo con lo conceptualizado en modelos. Por ejemplo, para el diseño de los monoplazas de fórmula uno, se generan modelos que buscan mejorar el desempeño y que permitan cambiar la aerodinámica del auto (por ejemplo, probando fibra de vidrio en lugar de fibra de carbono). Estos modelos se ponen a prueba mediante programas de computadora y posteriormente, en túneles de viento, de lluvia, entre otros. En este enlace encontrarás más información acerca de la relatividad de Galileo: www.mayaediciones.com/fis2/p45

Laboratorio Coeficiente de fricción Materiales • Cubo de madera de 3 x 3 x 3 cm3 como mínimo • Regla • Pedazo de madera (MDF, conglomerado, triplex) de dimensiones iguales o mayores a 297 x 210 mm • Graduador • Balanza • Cinta • Cuaderno • Lápiz

Datos informativos Institución educativa: Nombre del estudiante: Curso y paralelo:

Fecha:

Objetivos

1. Halla el coeficiente de fricción estática en un sistema. 2. Comprueba lo enunciado en la ley de inercia de Isaac Newton.

Procedimiento

Primera parte: 1. Procederemos primero a medir la masa de nuestro cubo y a anotar el dato. 2. Empleando el graduador y la superficie de madera, formaremos un plano inclinado. Con el graduador medimos 30 grados entre la mesa de trabajo y la superficie de madera. 3. Colocamos el cubo sobre el plano inclinado. En caso de no mantenerse el cubo en reposo, necesitaremos reducir sus dimensiones.

Fr Maya Ediciones, (2017).

P=m.g Figura A

4. Una vez que tenemos el sistema como se muestra en la Figura A, procederemos a realizar el análisis del cuerpo. El diagrama de cuerpo libre del objeto es el que se muestra en la Figura A. 5. Variamos el ángulo θ, y en la siguiente tabla completamos los datos según corresponda.

Resultados Masa del cubo (gr)

Peso (N)

Ángulo de inclinación ϴ

Fuerza normal (N)

Coeficiente de fricción estática μE

30 45 60

Cálculos Aplicando la primera ley de Newton, tanto para el eje x como para el eje y, tendremos: Fx = 0 F R mg Sen = 0 μe F N mg Sen = 0 a)μe =

mg Sen FN

FY = 0 F N mg Cos = 0 b)F N = mg Cos

Reemplazando la ecuación b) en la ecuación a), tendremos entonces:

μe =

mg Sen mgCos

μe =

Sen = tan Cos

Con esta expresión determinaremos finalmente el valor del coeficiente de fricción estática.

Conclusiones _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Consulta. ¿Cuáles son los coeficientes estáticos y cinéticos entre los siguientes materiales?

Articulaciones sinoviales de los humanos _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Llantas de caucho y diversos tipos de pavimento (secos y húmedos) _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Escoge verdadero o falso según corresponda, y justifica tu respuesta. El coeficiente de fricción emplea el Newton como unidad principal en el Sistema Internacional de Unidades para acompañar su magnitud. verdadero / falso _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

Todo cuerpo se mantiene en reposo, a menos que exista una fuerza neta que cambie su estado de moviverdadero / falso miento. _______________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________

By Gaspar Schott [Public domain], via Wikimedia Commons

Colina A

Colina B

Nieve

Autoevaluación Contenidos ¿Sé elaborar diagramas de cuerpo libre? ¿Sé reconocer los sistemas de referencia inerciales y los no inerciales? ¿Sé resolver problemas aplicando las leyes de Newton?

Siempre A veces

Nunca

Metacognición Trabaja en tu cuaderno: • ¿Qué aprendiste en esta unidad? • ¿Cómo lo aprendiste? • ¿En qué lo puedes aplicar?