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La energía

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Habitualmente usamos el concepto de energía de muchas formas algo así como para definir la energía que requiere un artefacto para funcionar, la energía que necesitamos para poder nuestras diferentes actividades diarias o a veces solemos decir “n3cesito energía para funcionar” o también “No hay energía para que funciones la TV” etc., como vemos hay diferentes expresiones que hacen que el termino se confunda, así que vamos a dedicar esta entrada a ver las diferentes formas de energía y a definirla desde la física, así que empecemos por el principio:

Qué es la energía?

El concepto de energía está relacionado con la capacidad de poner en movimiento o transformar algo. En el ámbito económico y tecnológico, la energía hace referencia a un recurso natural y los elementos asociados que permiten hacer un uso industrial del mismo.

Para la física, la energía es una magnitud abstracta que está ligada al estado dinámico de un sistema cerrado y que permanece invariable con el tiempo. Se trata de una abstracción que se le asigna al estado de un sistema físico. Debido a diversas propiedades (composición química, masa, temperatura, etc.), todos los cuerpos poseen energía. (1)

Pueden detallarse diversos tipos de energía según el campo de estudio. La energía mecánica, por ejemplo, es la combinación de la energía cinética (generada por el movimiento) y la energía potencial (relacionada a la posición de un cuerpo dentro de un campo de fuerzas).

Entendida como un recurso natural, la energía nunca es un bien en sí misma, sino que es que un bien intermedio que permite satisfacer otras necesidades en la producción de bienes y servicios.

La energía también clasificarse según fuente. Se llama energía no renovable a aquella que proviene de fuentes agotables, como la procedente del petróleo, el carbón o el gas natural. En cambio, la energía renovable es virtualmente infinita, como la eólica (generada por la acción del viento) y la solar.

Volviendo al campo de la física la energía se asocia con la capacidad que tiene un cuerpo de poder realizar un trabajo, para que un trabajo mecánico se pueda realizar se requiere de una fuerza y que por acción de esta fuerza este cuerpo se desplace, cuando un cuerpo realiza trabajo sobre otro, decimos que el primero transfiere energía al segundo. (2)

La unidad que nos permite expresar la energía es la misma utilizada para expresar el trabajo es decir el Julio-

En la naturaleza hay diversos eventos en los que se manifiesta la energía de diferentes formas: movimiento, electricidad, magnetismo, sonido, luz, calor y energía química, entre otras.

En la física, la ley universal de conservación de la energía, que es la base para el primer principio de la termodinámica, indica que la energía ligada a un sistema aislado permanece en el tiempo. No obstante, la teoría de la relatividad especial establece una equivalencia entre masa y energía por la cual todos los cuerpos, por el hecho de estar formados de materia, contienen energía; además, pueden poseer energía adicional que se divide conceptualmente en varios tipos según las propiedades del sistema que se consideren. Por ejemplo, la energía cinética se cuantifica según el movimiento de la materia, la energía química según la composición química, la energía potencial según propiedades como el estado de deformación o a la posición de la materia en relación con las fuerzas que actúan sobre ella y la energía térmica según el estado termodinámico. (3

La energía no es un estado físico real, ni una "sustancia intangible" sino sólo una magnitud escalar que se le asigna al estado del sistema físico, es decir, la energía es una herramienta o abstracción matemática de una propiedad de los sistemas físicos. Por ejemplo, se puede decir que un sistema con energía cinética nula está en reposo.
Se utiliza como una abstracción de los sistemas físicos por la facilidad para trabajar con magnitudes escalares, en comparación con las
magnitudes vectoriales como la velocidad o la posición. Por ejemplo, en mecánica, se puede describir completamente la dinámica de un sistema en función de las energías cinética, potencial, que componen la energía mecánica, que en la mecánica newtoniana tiene la propiedad de conservarse, es decir, ser invariante en el tiempo.

Matemáticamente, la conservación de la energía para un sistema es una consecuencia directa de que las ecuaciones de evolución de ese sistema sean independientes del instante de tiempo considerado, de acuerdo con el teorema de Noether.

Energía en diversos tipos de sistemas físicos

La energía también es una magnitud física que se presenta bajo diversas formas, está involucrada en todos los procesos de cambio de Estado físico, se transforma y se transmite, depende del sistema de referencia y fijado éste se conserva.[1] Por lo tanto todo cuerpo es capaz de poseer energía, esto gracias a su movimiento, a su composición química, a su posición, a su temperatura, a su masa y a algunas otras propiedades. En las diversas disciplinas de la física y la ciencia, se dan varias definiciones de energía, por supuesto todas coherentes y complementarias entre sí, todas ellas siempre relacionadas con el concepto de trabajo.

Formas de energía

Energía mecánica:

  Energía cinética:

Es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de la velocidad que posea. Se representa normalmente por las letras K (que proviene del término inglés Kinetic), T o mediante la expresión Ec.

Esta energía es propia, por consiguiente, de los cuerpos en traslación y en rotación, pudiéndose considerar dos clases de energía cinética:

  • Energía cinética de un cuerpo en traslación.
  • Energía cinética de un cuerpo en rotación.
  • La energía cinética de un cuerpo en traslación. Cuando a un cuerpo en reposo se le aplica una fuerza constante en la dirección de la traslación, el trabajo efectuado por ella para recorrer un determinado espacio será:

                  T=f x e        siendo:  T= Trabajo;  f=fuerza constante; e= espacio recorrido

          Este trabajo, queda acumulado en forma de energía cinética de traslación; luego T=fxe=E  y poniéndolo en función de la masa del cuerpo y la velocidad nos quedaría definitivamente que la energía cinética sería Ec = ½ m x v2

  • La energía cinética de un cuerpo en rotación sobre un eje. Al aplicar una fuerza F, constante, a un cuerpo de masa m, el cual puede girar alrededor de un eje, la energía cinética que adquiere hasta alcanzar la velocidad v, valdrá  Ec = ½ m x v2  como el movimiento es de rotación al ponerlo en función de la velocidad angular w, y del momento de inercia I, nos queda definitivamente que  Ec = ½ I x w2

   Energía potencial:

Es la capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo en virtud de su posición o configuración.

Un cuerpo sostenido a una cierta altura posee una energía potencial. Esta energía será igual al trabajo que se ha realizado para llevar el cuerpo hasta esa altura. Dicho trabajo vale  T=Pxh   donde P= Peso del cuerpo y h= altura.

Como P= m x g ; T= m x g x h = Ep

Si dejamos en libertad al cuerpo desde una altura h, la energía potencial que poseía tendrá el mismo valor que la cinética en el momento de llegar al suelo; Ec= Ep   o bien  1/2 m x v2 = m x g x h

Hay varios tipos de energía potencial: gravitacional, elástica, eléctrica, etc.

Energía eléctrica:

Forma de energía basada en la generación de diferencias de potencial eléctrico entre dos puntos, que permiten establecer una corriente eléctrica entre ambos.

La electricidad es una forma de energía que se puede trasmitir de un punto a otro. Todos los cuerpos presentan esta característica, propia de las partículas que lo forman, pero algunos la transmiten mejor que otros.

Los cuerpos, según su capacidad de trasmitir la electricidad, se clasifican en conductores y aisladores.

Conductores son aquellos que dejan pasar la electricidad a través de ellos. Por ejemplo, los metales.

Aisladores son los que no permiten el paso de la corriente eléctrica. (5)

Ejemplo: La energía suministrada por una pila.

Energía química:

La que existe en estado potencial en los cuerpos y se transforma en la actual en las combinaciones químicas.

La energía química es una manifestación mas de la energía. En concreto, es uno de los aspectos de la energía interna de un cuerpo y aunque se encuentra siempre en la materia solo se nos muestra cuando se produce una alteración intima de ésta.

     En la actualidad, la energía química es la que mueve los automóviles, los buques y los aviones y, en general, millones de máquinas. Tanto la combustión del carbón, de la leña o del petróleo en las máquinas de vapor como la de los derivados del petróleo en el estrecho y reducido espacio de los cilindros de un motor de explosión, constituyen reacciones químicas.

Ejemplo: La energía de los alimentos y de los combustibles.

Energía luminosa o radiante:

   La propagada por ondas electromagnéticas. Término como los de calor, luz, rayos ultravioletas, radioondas o rayos gamma, se refieren todas a fenómenos de la misma clase: formas variadas de la radiación electromagnéticas que se mueven en el vacío a 300000 Km./ s y que solo difieren en su longitud de onda, es decir, en su frecuencia de vibración.

La luz proviene de los cuerpos llamados fuentes o emisores. Llena el Universo, emitida por el Sol y por todas las estrellas que son fuentes luminosas naturales (igual como lo son el fuego y algunos insectos como las luciérnagas). Sobre la Tierra, las plantas verdes se mantienen vivas gracias a la energía radiante del Sol, e incluso la vida de los animales —entre ellos el hombre— depende de esta energía.  Además de la luz, las ondas de radio, los rayos X, los rayos ultravioleta, son formas de energía radiante invisibles, utilizadas por el hombre.

Existen también fuentes luminosas artificiales (las ampolletas, los tubos fluorescentes y las linternas).

El hombre ha ideado diferentes formas para utilizar la energía luminosa que proviene del sol. Algunas de ellas son los colectores solares y espejos curvos especiales, que se utilizan en calefacción y para generar energía eléctrica. La energía solar tiene la ventaja de no contaminar.

Ejemplo: La energía de la luz.

  

Energía atómica o nuclear:

  La que se encuentra almacenada en los núcleos atómicos y se libera por fisión de los núcleos pesados o por fusión de los núcleos ligeros.

  Ejemplo: La energía liberada en la fisión de los átomos de uranio.

Para obtener una mejor estabilidad, el átomo inestable se transforma en otro tipo de átomo mediante la expulsión de la energía en forma de radiación: el fenómeno de la radioactividad.

En la naturaleza, la mayoría de los elementos son estables. Pero, también existen algunos inestables, y para lograr la estabilidad, se desintegran gradualmente emitiendo una o varias partículas y allí aparece la energía en forma de radiación. A esto se le llama radiactividad. Este fenómeno se produce de modo natural. Vivimos en el tiempo, y desde siempre, en un medio ambiente naturalmente radiactivo : estamos hablando de la radioactividad natural.

Para una mejor comprensión de los usos de la energía y sus implicaciones en la física veamos el siguiente enlace que nos proporciona una explicación de forma animada:

http://www.librosvivos.net/smtc/homeTC.asp?TemaClave=1183

 

Fuentes:

(1) http://definicion.de/energia/

(2) Santillana. Contextos naturales 6

(3) http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa

(4) http://centros5.pntic.mec.es/santat12/Departamentos/TrabajosFQ/LaEnergia05/formas_de_la_energia.htm

(5) http://www.profesorenlinea.cl/fisica/EnergiaTiposde.htm

***

 

Parte 2

Trabajo y energía

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Muchas veces escuchamos expresiones como "he tenido mucho trabajo", o "qué trabajo  tan extenuante" ó "mañana tengo que presentar un trabajo de química". En física  el significado de la palabra trabajo se relaciona con la fuerza ejercida sobre un objeto y con el desplazamiento producido por dicha fuerza. Si la dirección de la fuerza  es igual a al fuerza del desplazamiento, la fuerza realizar un trabajo mecánico, en este caso el trabajo se calcula como el producto de la fuerza por el desplazamiento.
el trabajo se calcula mediante la expresión:

Trabajo = fuerza * desplazamiento

En el sistema de medida internacional la unidad en que se expresa el trabajo se llama Julio (J), un (1)Kg de fuerza equivale a una fuerza de 9,8N (Newtons), es decir cuando sostienes en tu mano 1 kilo de sal ejerces una fuerza de 1 kg-f lo que equivale aproximadamente a 10N. si subes el kilo de salm a una altura de 1 metro ejerciendo sobre él una fuerza  de 10N, para esta situación  el trabajo que realizas es:

Trabajo = Fuerza * Desplazamiento
Trabajo =  10 N * 1 m  = 10J

Estos dos conceptos (Trabajo y energía) (2) se encuentran relacionados. Podemos decir que trabajo es todo proceso que implique demanda de energía; entendiéndose como demanda el suministro, consumo o acumulación de energía.
De la misma manera se denomina energía a la capacidad que tienen los cuerpos o partículas para realizar un trabajo.

Ejemplos

Ejemplo1

Si se tiene un cuerpo en una posición A y al trasladarlo hacia una posición B, el trabajo realizado para vencer las fuerzas de rozamiento que se oponen al desplazamiento implica un consumo de energía (realmente lo que ocurre es una transformación de energía); por lo tanto en el punto B el cuerpo tendrá menor cantidad de energía.

Trabajo 1


Todos los procesos que impliquen rozamiento producen una transformación de energía en calor y como éste no se puede aprovechar decimos que se consume energía.
Si tenemos una partícula que se mueve una distancia s=AB bajo la acción de una fuerza constante F, el trabajo realizado se define de la siguiente forma
Trabajo = Fuerza × Distancia
W=F · s
El trabajo hecho por una fuerza es igual al producto del desplazamiento de la partícula por la componente de la fuerza a lo largo del desplazamiento.


Ejemplo 2

Si tenemos un plano inclinado sin rozamiento, al tener un cuerpo en el punto A se le debe suministrar una cierta cantidad de energía para trasladarlo al punto B, en el cual el cuerpo poseerá mayor cantidad de energía. En este caso se ha efectuado una acumulación de energía.

Trabajo 2

Como Fs=F cos θ
W = F s cos θ

Ejemplo 3

Otro caso de acumulación de energía ocurre cuando se comprime un resorte, el cual al estar comprimido contiene la energía suministrada para comprimirlo.

Trabajo 3

Formas de energía

La energía recibe diferentes nombres de acuerdo a la forma como se manifiesta


Tipo de energía Forma en que se manifiesta
Lumínica Luz
Sonora Sonido
Eólica Viento
Mecánica Disponible en un eje
Potencial Posición
Cinética Velocidad
Eléctrica Electricidad
Latente Combustibles

Se denominan transductores a los dispositivos que convierten una forma de energía en otra por ejemplo
Lámpara Eléctrica => Lumínica Micrófono Sonora => Eléctrica Parlante Eléctrica => Sonora Motor Eléctrico Eléctrica => Mecánica

Fuentes

: 1 Contextos naturales 6, editorial Santillana, 2004
2
http://www.textoscientificos.com/fisica/trabajo-energia


Maquinas simples

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Las maquinas simples debido a su gran sencillez no son muy tomadas en cuenta, y se diría que se podrían dar por sentadas,pareciera que siempre han estado allí y no se reflexiona mayormente por su forma de funcionamiento, sin embargo cuando empezamos a mirarlas en detalle encontramos su gran singularidad y su enorme importancia que ha tenido en el desarrollo tecnológico  y en la ciencia.  Por eso dedicaremos un espacio a la manera en que se dan las diferentes máquinas simples, su evolución y sobre todo la posibilidad de interactuar con ellas gracias a estas posibilidades informáticas.

MÁQUINAS SIMPLES

Objetivos

- Comprender cómo funcionan las máquinas simples y la utilidad que prestan en nuestra vida cotidiana

- Conocer las diferentes máquinas simples y conocer un poco las leyes físicas que las regulan

Pregunta generadora

Que clase de máquinas simples tenemos a nuestro alrededor y cuál ha sido la importancia que tienen estas maquinas en nuestra cotidianidad: influencia, principios físicos.

Situación de aprendizaje: las máquinas simples

image Se denominan máquinas a ciertos aparatos o dispositivos que se utilizan para transformar o compensar una fuerza resistente o levantar un peso en condiciones más favorables. (1)

Es decir, realizar un mismo trabajo con una fuerza aplicada menor, obteniéndose una ventaja mecánica.

Esta ventaja mecánica comporta tener que aplicar la fuerza a lo largo de un recorrido (lineal o angular) mayor. Además, hay que aumentar la velocidad para mantener la misma potencia.

Las primeras máquinas eran sencillos sistemas que facilitaron a hombres y mujeres sus labores, hoy son conocidas como máquinas simples.

La rueda, la palanca, la polea simple, el tornillo, el plano inclinado, el polipasto, el torno y la cuña son algunas máquinas simples. La palanca y el plano inclinado son las más simples de todas ellas.

En general, las maquinas simples son usadas para multiplicar la fuerza o cambiar su dirección, para que el trabajo resulte más sencillo, conveniente y seguro.

Ejemplos de máquinas simples

Palanca

Una palanca es, en general, una barra rígida que puede girar alrededor de un punto fijo llamado punto de apoyo o fulcro.

Conocida máquina simple: la palanca

imageLa fuerza que se aplica se suele denominar fuerza motriz o potencia y la fuerza que se vence se denomina fuerza resistente, carga o simplemente resistencia.

Para la construcción de este tipo de instrumento no se requiere, en realidad, de una gran cantidad ni de conocimientos ni de materiales. Bastará, por ejemplo, con una piedra grande y una tabla de madera; si se construye con ellos un “sube-y-ibaja” se está construyendo, en realidad, la más arcaica de todas las maquinas que conoce la humanidad. Desde la perspectiva del conocimiento, todo el mundo sabe (es una cuestión de sentido común) que si se aplica fuerza sobre alguno de los dos extremos de la tabla, el extremo donde la fuerza ha sido aplicada tenderá a bajar y, entonces, por razones propias de la física, el extremo opuesto tenderá a subir. Es, como en la cotidiana realidad, un juego de niños. (2)

Polea

La polea sirve para elevar pesos a una cierta altura. Consiste en una rueda por la que pasa una cuerda a la que en uno de sus extremos se fija una carga, que se eleva aplicando una fuerza al otro extremo. Su función es doble, puede disminuir una fuerza, aplicando una menor, o simplemente cambiar la dirección de la fuerza. Si consta de más de una rueda, la polea amplifica la fuerza. Se usa, por ejemplo, para subir objetos a los edificios o sacar agua de los pozos.

La polea constituye, asimismo, otro tipo paradigmático de maquina simple. Sujetamos una rueda a un plano elevado e instalamos sobre ella, luego, una cuerda que pueda hacerla girar. Con este dispositivo solo conseguimos que la aplicación de una fuerza descendente se transforme en fuerza ascendente. Se trata, simplemente, de un cambio en el sentido de la fuerza; la magnitud se mantiene igual.

Pero ¡vaya un invento realmente formidable!; el ser humano está mejor capacitado para tirar hacia abajo que para tirar hacia arriba. Ninguna de las hermosas construcciones del mundo antiguo se hubiera llegado a completar -jamás- sin el precioso conocimiento que la creación de esta sencillísima maquina simple implica. Es más, incluso hoy en día tenemos la plena oportunidad de verla por la calle; ¿en que construcción estructural no se usa, en un sentido u otro, una polea?

Mucha gente se verá, quizás, sorprendida al momento de enterarse que un subibaja o una polea son en realidad ejemplos distintos de maquina simple; pero eso es efectivamente así.

Polea simple

image Las poleas pueden presentarse de varias maneras:

Polea fija: solo cambia la dirección de la fuerza. La polea está fija a una superficie.

Polea móvil: se mueve junto con el peso, disminuye el esfuerzo al 50%.

Polea pasto, polipasto o aparejo: Formado por tres o más poleas en línea o en paralelo, se logra una disminución del esfuerzo igual al número de poleas que se usan.

Polipasto

image Se llama polipasto a un mecanismo que se utiliza para levantar o mover una carga aplicando un esfuerzo mucho menor que el peso que hay que levantar.

Estos mecanismos se utilizan mucho en los talleres o industrias que manipulan piezas muy voluminosas y pesadas porque facilitan la manipulación, elevación y colocación de estas piezas pesadas, así como cargarlas y descargarlas de los camiones que las transportan.

Esquema funcional de un polipasto

Suelen estar sujetos a un brazo giratorio que hay acoplado a una máquina, o pueden ser móviles guiados por raíles colocados en los techos de las naves industriales.

Los polipastos tienen varios tamaños o potencia de elevación, los pequeños se manipulan a mano y los más grandes llevan incorporados un motor eléctrico.

Rueda

image Máquina simple más importante que se conoce, no se sabe quién y cuándo la descubrió o inventó; sin embargo, desde que el hombre utilizó la rueda la tecnología avanzó rápidamente, podemos decir que a nuestro alrededor siempre está presente algún objeto a situación relacionado con la rueda, la rueda es circular.

Plano inclinado

image El plano inclinado permite levantar una carga mediante una rampa o pendiente. Esta máquina simple descompone la fuerza del peso en dos componentes: la normal (que soporta el plano inclinado) y la paralela al plano (que compensa la fuerza aplicada). De esta manera, el esfuerzo necesario para levantar la carga es menor y, dependiendo de la inclinación de la rampa, la ventaja mecánica es muy considerable.

Al igual que las demás máquinas simples cambian fuerza por distancias. El plano inclinado se descubre por accidente ya que se encuentra en forma natural, el plano inclinado es básicamente un triángulo donde su utiliza la hipotenusa, la función principal del plano inclinado es levantar objetos por encima de la Horizontal.

Plano inclinado

El plano inclinado puede presentarse o expresar también como cuña o tornillo.

Cuña

image Se forma por dos planos inclinados opuestos, las conocemos comúnmente como punta, su función principal es introducirse en una superficie.

Ejemplo: Flecha, hacha, navaja, desarmado, picahielo, cuchillo.

Tornillo

Plano inclinado enrollado, su función es la misma del plano inclinado pero utilizando un menor espacio.

Ejemplos: escalera de caracol, carretera, saca corcho, resorte, tornillo, tuerca, rosca.

Nivel o torno

Máquina simple constituida por un cilindro en donde enredar una cuerda o cadena, se hace girar por medio de una barra rígida doblada en dos ángulos rectos opuestos. Como todas las máquinas simples el torno cambia fuerza por distancia, se hará un menor esfuerzo entre más grande sea el diámetro.

Ejemplos: grúa, fonógrafo, pedal de bicicleta, perilla, arranque de un auto antiguo, grúa, ancla, taladro manual.

Actividades

1. Una vez leído esta primera información para que puedas ampliarla y ver  las clases que presentan estas máquinas veamos el siguiente documento:

http://sanisidrotekno.googlepages.com/Mecanismos_y_actividades.pdf

2.  Ahora que ya tienes una buena información de estas máquinas simples veamos :

a. Aplicacion en jclic para ver como funcionan diferentes mecanismos es interactivo:

http://clic.xtec.cat/db/jclicApplet.jsp?project=http://clic.xtec.net/projects/mecanism/jclic/mecanism.jclic.zip&lang=es&title=Los+mecanismosb.

b. Excelente animación sobre las palancas con teoria,  ejercicios
http://www.edu.xunta.es/contidos/premios/p2004/b/mecanismos/mecanismosCAS/principal.htm

c. Pagina sobre las palancas en  versiones animadas
http://www.juntadeandalucia.es/averroes/recursos_informaticos/andared02/maquinas/

Evaluación

Para esta parte nos valdremos del siguiente recurso, haga clic en el enlace y realiza la actividad

http://www.mystudiyo.com/act127602/mini/go/m%C3%A1quinas_simples:_palancas

 

webgrafia

1 http://www.profesorenlinea.cl/fisica/MaquinasSimples.htm
2 http://www.tecnositio.com/maquinas/simples.html
3 Gracias al siguiente blog se han podido encontrar la mayoría de las actividades que se han desarrollado para este tema.
http://algomasquetecnologia.blogia.com/temas/webs-de-mecanismos.php

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El sonido

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Como ya sabes el sonido es un fenómeno vibratorio que se transmite en forma de ondas, para que este se pueda producir se requiere de una fuente que lo genere  y que tenga un medio que lo trasmita bien sea sólido, liquido o gaseoso. en nuestra cotidianidad humana tenemos que estos medios mas comunes son el aire y el agua, asi nos vemos inundados de diferentes sonidos, a veces no somos muy consientes de ellos, pero están por todas partes, asi sea que estemos en un lugar muy solitario siempre tendremos la presencia de muchos sonidos algunos de ellos tan familiares como el sonido de los pájaros, el susurrar del viento, y otros que nos ofrecen una sensación de tranquilidad, otras veces tenemos tantos sonidos algunos de ellos tan irritantes que nos crean un poco de stress, todo ello dependerá del nivel particular de interés que tengas y el cual estés expuesto. Veremos ahora este interesante fenómeno de la física y sobre todo trataremos de analizar sus características físicas  en el cual se desenvuelven, pero también  sus características emocionales que nos despiertan. Así que amigos(as) bienvenidos.

sonido

Objetivos de tema

-  Conocer el comportamiento de las ondas de sonido y comprender su impacto en el ser humano

- Analizar la forma cómo se generan las ondas de sonido y la manera en que se utilizan para diversas aplicaciones en la vida cotidiana del ser humano.

Pregunta generadora del tema

” Cuál es el impacto del sonido en el medio ambiente y cuáles sería la forma en qué se comporta la onda de sonido hasta llegar a nosotros  y su impacto en nuestra vida cotidiana.

Situación de aprendizaje: El sonido

Un murciélago (1) es capaz de detectar, capturar y tragar decenas de insectos en un minuto en pleno vuelo, y todo ello en una oscuridad total. Esto es posible gracias a que éste emite ondas y cuyo eco, al rebotar con el insecto, es detectado y reconocido por el propio murciélago. Estas ondas son de altísima frecuencia y son imperceptibles para el oído humano. Pero esto no quiere decir que podamos oír. Nuestro oído es capaz de percibir sonidos de frecuencias comprendidas entre los 16 Hz y los 16.000 Hz y a las ondas con dicho espectro de frecuencias se le denomina ondas sonoras.
Pero ¿Qué es exactamente el sonido? Una cosa es la definición física del sonido, y otra la sensación fisiológica del mismo. El sonido en sí es cierta forma de onda. En cualquier disturbio vibratorio que, propagado a través de un medio elástico, causa una alteración en la presión del medio capaz de producir una sensación auditiva en una persona con audición normal, o de poder ser detectada por un instrumento de captación dentro del rango de frecuencias e intensidades de percepción del oído. Origina en dicho medio una serie de compresiones y enrarecimientos, desplazándose a través de esta a una velocidad que depende de la naturaleza del mismo medio. El sonido se propaga a través de medios gaseosos (Por ejemplo el aire), pero también lo hace en medios líquidos y gaseosos.
A continuación pasaremos a estudiar cuales son los parámetros fundamentales que determinan una onda sonora, así como la forma de onda y sus características básicas.

Parámetros fundamentales. Onda Senoidal

En principio, estudiaremos a través del ejemplo sencillo como se forma una onda típica senoidal, que es la que caracteriza a los sonidos, para posteriormente adentrarnos en su estudio y características.
Supongamos que tenemos una soga muy larga y que fijamos uno de sus extremos a una pared. Si después tomamos el extremos libre y movemos la cuerda hacia arriba y hacia abajo hasta una distancia desde su posición horizontal o de equilibrio +A y –A, observamos que suceden fundamentalmente dos cosas.

cuerda

Advirtamos que, si bien la soga se mueve hacia la pared, cada segmento de la soga se mueve únicamente hacia arriba y hacia abajo. Es decir, el desplazamiento medio de cada segmento de la soga es cero, pero la onda formada por todos los segmentos dela soga se mueve hacia la pared, transmitiendo cierta cantidad de energía a esta.
2. Cada segmento dela soga realiza un movimiento periódico.
EL tiempo empleado en un ciclo completo se llama período (T) medido en segundos y el número de ciclos por segundo se llama frecuencia (f) y se mide en ciclos por segundo o Hetzios. La frecuencia es inversa al período f = 1/T. Por otra parte cada segmento de la soga tiene cierta amplitud (A). La amplitud se define como el máximo desplazamiento desde la posición de equilibrio.
Onda_sinusoide La frecuencia está determinada por la fuente, de forma que si la soga se agita rápidamente, la frecuencia será mayor (alta frecuencia) que si la agito lentamente (baja frecuencia) que si la agito lentamente (baja frecuencia) La amplitud igualmente está determinada por la fuente, de modo que si el extremo de la soga se eleva mucho desde la posición horizontal o
de equilibrio la amplitud será grande y viceversa.
Por tanto, ya hemos visto que tanto la frecuencia como la amplitud están determinadas por la fuente. Pero la onda tiene una velocidad de desplazamiento, ¿quién determina dicha velocidad?
La velocidad de una onda esta determinada por el medio donde esta se propaga (es nuestro ejemplo de la soga) La masa y la tensión de esta será las que nos determine la velocidad de onda.
A poco de haber empezado a moverse la soga, la onda tendrá el aspecto que se observa en la figura. La distancia entre dos puntos máximos de la onda se llama longitud de onda λ y esta determinada por la frecuencia y por la velocidad.

Características físicas

Cualquier sonido (2) sencillo, como una nota musical, puede describirse en su totalidad especificando tres características de su percepción: el tono, la intensidad y el timbre. Estas características corresponden exactamente a tres características físicas: la frecuencia, la amplitud y la composición armónica o forma de onda. El ruido es un sonido complejo, una mezcla de diferentes frecuencias o notas sin relación armónica.

  • El Tono (3) viene determinado por la frecuencia fundamental de las ondas sonoras y es lo que permite distinguir entre sonidos graves, agudos o medios. El tono lo determina la longitud de la onda, medida en ciclos por segundos o Hercios (Hz). Para que podamos percibir los humanos un sonido, éste debe estar comprendido en la franja de 20 y 20.000 Hz. Por debajo tenemos los infrasonidos y por encima los ultrasonidos. A esto se le denomina rango de frecuencia audible. Cuanto mas edad se tiene, este rango va reduciendose tanto en graves como en agudos.
  • La Intensidad es la cantidad de energía acústica que contiene un sonido. La intensidad viene determinada por la potencia acústica, que a su vez está determinada por la amplitud y nos permite distinguir si el sonido es fuerte o débil. Los sonidos que percibimos deben superar el umbral auditivo (0 dB) y no llegar al umbral de dolor (140 dB). Esta cualidad la medimos con el sonómetro y los resultados se expresan en decibelios (dB).
  • El Timbre es la cualidad que confiere al sonido los armónicos que acompañan a la frecuencia fundamental. Esta cualidad es la que permite distinguir dos sonidos, por ejemplo, entre la misma nota (tono) con igual intensidad producida por dos instrumentos musicales distintos.
  • La duración. Esta cualidad está relacionada con el tiempo de vibración del objeto. Por ejemplo, podemos escuchar sonidos largos, cortos, muy cortos, etc..

Actividades

1.  Para que amplíes los conceptos aquí expuestos en forma resumida consulta el siguiente documento sobre la física del sonido y haz un pequeño resumen en tu cuaderno sobre las diferentes características que puede tener el sonido.

http://www.eumus.edu.uy/eme/cursos/acustica/apuntes/material-viejo/fisica_r/
 
2. Para que puedas observar todas estas características que tiene el sonido observa los siguientes videos y responde las siguientes preguntas:
(Haz clic sobre la imagen)

videoa. Por qué se dice que los sonidos  son brillantes y agudos como la luz ?
b. De qué forma el entorno sonoro está cambiando  y cómo puede afectar nuestra forma de vida? 
c. Por qué no es posible tener sonido en el espacio?
d. Por qué se hace difícil medir el volumen de un sonido?
e. Recuerda un poco los huesos del cuerpo: qué huesecillos en el oído ayudan a impulsar las ondas de sonido?

 
Evaluación

Para esta temática se tendrá en cuenta los apuntes que tienes en tu cuaderno y las respuestas que halles a la actividad No 2.

webgrafia

1 http://www.sld.cu/galerias/pdf/sitios/rehabilitacion-logo/fisicas_del_sonido.pdf
2 http://html.rincondelvago.com/ondas-y-movimientos-ondulatorios.html
3 http://es.wikibooks.org/wiki/F%C3%ADsica/Ac%C3%BAstica/Sonido
4 http://www.eumus.edu.uy/eme/cursos/acustica/apuntes/material-viejo/fisica_r/

Amplia tus conceptos con los siguientes videos:

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La fuerza y las leyes de Newton sobre el movimiento

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Una  fuerza es la acción que modifica el estado de reposos o movimiento de los cuerpos, asi que cuando un balon con el cual juegas al futbol cambia  su estado de movimiento, es por la acción de una fuerza que le has imprimido, de igual manera cuando el portero detiene el balón aplica una fuerza. Como ves este tema grandes aplicaciones en el campo de la física. La fuerza es una magnitud de carácter vectorial, ya que tiene valor numérico, dirección y sentido. la suma de la fuerzas cumple las leyes de los vectores. Así que veamos un poco más acerca de este concepto.

Fuerza es toda causa agente capaz de modificar la cantidad de movimiento o la forma de los cuerpos materiales. No debe confundirse con los conceptos de esfuerzo o de energía.

En el Sistema Internacional de Unidades, la fuerza se mide en newtons (N).

Una fuerza es “algo” que cuando actúa sobre un cuerpo, de cierta masa, le provoca un efecto.
El efecto puede ser: (1)

- modificación del estado de movimiento en que se encuentra
- modificación de su aspecto físico

También pueden ocurrir los dos efectos en forma simultánea.

image

Ejemplos:

Cuando un jugador chutea una pelota, la pelota se pone en movimiento.
Cuando se lanza una piedra contra un vidrio, el vidrio puede romperse.
Cuando una persona chutea una lata de bebida, la lata puede adquirir movimiento y también puede deformarse.

jugando la lata
Una fuerza solo la puede aplicar un cuerpo sobre otro cuerpo. Es imposible encontrar una fuerza que actúe sobre un cuerpo si no proviene de otro cuerpo.

Las fuerzas se pueden clasificar de acuerdo a algunos criterios: Según su punto de aplicación:

a) Fuerzas de contacto: en este caso el cuerpo que aplica la fuerza y el que la recibe entran en contacto físico. Un golpe, sujetar algo, tirar algo, etc.

jugador con balon

b) Fuerzas a distancia: el cuerpo que ejerce la fuerza y quien la recibe no entran en contacto físicamente. La fuerza que un imán ejerce sobre otro imán o sobre un clavo, o la fuerza con que la Tierra atrae a los cuerpos que están sobre su superficie, incluso en el aire.

polos-iguales-se-atraen

Según el tiempo que dura la aplicación de la fuerza:
a) Fuerzas impulsivas: son, generalmente, de muy corta duración, por ejemplo: un golpe.

bolos

b) Fuerzas de larga duración: son las que actúan durante un tiempo comparable o mayor que los tiempos característicos del problema de que se trate. Por ejemplo, el peso de una persona es una fuerza que la Tierra ejerce sobre la persona, y durará mientras la persona exista (salvo que se le ocurra hacer un viaje interplanetario). La fuerza que ejerce un cable que sostiene una lámpara, durará todo el tiempo que la lámpara esté colgando de ese cable. La fuerza que ejerce el cable sobre el teleférico durará mientras ahí esté.

atado al planeta

Hay otras clasificaciones que se podrían hacer, pero por simplicidad quedémonos conlas anteriores por ahora.
Una fuerza es una cantidad vectorial. ¿Qué significa esto?
Significa que tiene tres componentes:
- un valor, que viene dado por un número y una unidad de medida (25 Newton, por
ejemplo).
- una dirección, que vendría a ser la línea de acción de la fuerza (dirección vertical, por
ejemplo).
- un sentido, que vendría a ser la orientación, el hacia dónde se dirige la fuerza (hacia
arriba, por ejemplo).
Sin dudas que cuando aplicamos una fuerza sobre una pelota es diferente el efecto si la aplicamos en forma vertical que si la aplicamos en forma horizontal. También sería diferente si la aplicamos hacia la izquierda que si la aplicamos hacia la derecha. En fin, las tres componentes deben estar incluidas en la información de una fuerza.
Aunque a veces, según el sistema de referencia con que se trabaje, se puede juntar la dirección y el sentido en una sola información. Por ejemplo, una fuerza de 25 Newton aplicada a 45º. Esto significa que está “apuntando” a 45º sobre la horizontal hacia la derecha. Si fuera a 45º sobre la horizontal hacia la izquierda, entonces el ángulo sería de
135º, y se diría: una fuerza de 25 Newton aplicada a 135º.
Las unidades más frecuentes de fuerza son el Newton y la dina. Una dina es 0,00001 veces un Newton.
Las fuerzas se pueden sumar y restar. No tiene sentido físico el multiplicarlas o dividirlas.
Si sumas dos fuerzas que vayan en la misma dirección y mismo sentido, entonces la suma es la suma aritmética de ellas. Si sus valores son 40 Newton y 30 Newton, el resultado sería 70 Newton en la dirección y sentido común que tienen.

Qué es un Newton (2)

En física, un newton o neutonio o neutón (símbolo: N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su trabajo y su extraordinaria aportación a la Física, especialmente a la mecánica clásica.

El newton se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s2 a un objeto de 1 kg de masa. Es una unidad derivada del SI que se compone de las unidades básicas:

image

Una masa de un kilogramo tiene un peso de unos 9,81 N. Un newton es, aproximadamente, el peso de una manzana pequeña, hecho curioso si se tiene en cuenta la historia del descubrimiento de la gravedad de Newton.
*En física, un newton (N) es la unidad de fuerza en el Sistema Internacional de Unidades, nombrada así en reconocimiento a Isaac Newton por su trabajo en la mecánica clásica.
*Se define como la fuerza necesaria para proporcionar una aceleración de 1 m/s2 a un objeto cuya masa es de 1 kg. Es una unidad derivada del SI, que se compone de las unidades básicas kg · m / s2.

Es decir, es la fuerza necesaria para mover UN KG de masa con una aceleracion de un metro por segundo al cuadrado.
Por tanto 1 N es a un Kg

Las leyes de Newton

Isaac newton (1642-1727), es considerado por los historiadores como un verdadero revolucionario en lo que se refriere a las ciencias y en particular alas ciencias naturales. Tal es así que se habla de la revolución Newtoniana, por un lado, como así de la Síntesis Newtoniana por el otro, ya que sus concepciones científicas eran válidas tanto para los cuerpos celestes como para los habituales objetos y seres que poblamos la tierra, buscando así una visión global del Universo. (3)

Con una serie de leyes muy sencillas pudo sintetizar y explicar entre otras cosas los fundamentos de la dinámica clásica, estas leyes son:

El principio de inercia (4)

Si pensamos en todo lo que hacemos diariamente, no es difícil entender que para mover un cuerpo debemos aplicar una fuerza, y para detenerlo, también. La inercia es la resistencia de un cuerpo en reposo al movimiento, o de un cuerpo en movimiento a la aceleración, al retardo en su desplazamiento o a un cambio de dirección del mismo. Para vencer la inercia debe aplicarse una fuerza.

Un ejemplo de inercia es cuando vamos en el auto y frenamos bruscamente; entonces nuestro cuerpo tiende a irse hacia adelante. Por el contrario, cuando el vehículo parte nos vamos hacia atrás. Esto demuestra que todos los cuerpos que están en movimiento tienden a seguir en movimiento; los cuerpos que están en reposo, tienden a seguir en reposo. Esta es la primera Ley de Newton, que se enuncia así: “Todo cuerpo permanece en reposo o se desplaza con movimiento rectilíneo uniforme, siempre que no actúe sobre él una fuerza exterior que cambie su estado”.

segunda Ley de Newton, que formalmente se enuncia así: “Cualquier variación del movimiento es proporcional a la fuerza que la produce y tiene lugar en la dirección en que dicha fuerza actúa, siendo el aumento o la disminución de la velocidad proporcional a la misma”.

Por ejemplo, si tenemos dos automóviles iguales, y uno es tirado por un hombre y el otro por un caballo (dos fuerzas distintas), el segundo va a adquirir mayor aceleración, comprobando que la aceleración es directamente proporcional a la fuerza: a mayor fuerza, mayor aceleración.

Por el contrario, si tenemos dos caballos iguales (igual fuerza), el primero tira de un auto más pequeño que el segundo (distintas masas), el primero adquirirá mayor aceleración, concluyendo que la aceleración es inversamente proporcional a la masa: a menor masa, mayor aceleración.

Ejemplo 1

Se patea una pelota con una fuerza de 1,2 N y adquiere una aceleración de 3 m/s2, ¿cuál es la masa de la pelota?

Datos:

F = 1,2 N

a = 3 m/s2

m = ?

La tercera Ley del Movimiento de Newton es el principio de acción y reacción. Este postula que a cada acción corresponde una reacción igual y contraria. Es decir, si un cuerpo A ejerce una acción sobre un cuerpo B, el cuerpo B reacciona y ejerce una fuerza igual y contraria sobre el cuerpo A.

Los cohetes funcionan en base al mismo principio, ya que se aceleran al ejercer una gran fuerza sobre los gases que expulsan. Estos gases ejercen una fuerza igual y opuesta sobre el cohete, lo que finalmente lo hace avanzar.

Cada material, sin importar cuán duro sea, es elástico. Esto hace que al ejercer una fuerza sobre él, este también lo haga. Por ejemplo, si empujamos una mesa estamos ejerciendo una fuerza sobre ella; si miramos nuestras manos, podremos ver qué están deformadas por la fuerza y sentimos dolor. Eso quiere decir que la mesa también ejerció una fuerza sobre nuestras manos.

newton18

webgrafia

1 http://www.hverdugo.cl/conceptos_pdf/fuerza.pdf
2 http://es.wikipedia.org/wiki/Newton_%28unidad%29

3 http://www.monlau.es/btecnologico/fisica/dinamica/newton.htm

4 http://www.proyectosalonhogar.com/Fisica/Leyes_Newton.htm

video

Ondas

Estándar

Cuando tiras una piedra a un estanque puedes observar que en la superficie del agua se forman una serie de círculos, que se van formando en torno a un punto central . A este tipo de movimiento que comúnmente llamamos ondas, reciben también el nombre de movimiento vibratorio. si ponemos a vibrar una regla en una de las esquinas de tu escritorio, y la sujetas por uno de sus extremos , vemos que cada punto de la regla describe un movimiento de vaivén en torno a una posición central llamada posición de equilibrio, para que puedas comprender mas en detalle que son las ondas, cómo se comportan y sus características veremos a continuación en detalle este interesante tema.

ondas

OBJETIVOS PARA DESARROLLAR EN EL TEMA DE LAS ONDAS

: Estudiar los aspectos referentes a los tipos y caracteristicas de la energía en su forma ondulatorio.

: Analizar los conceptos básicos relacionados con la onda y conocer las partes que la forman.

 

Pregunta generadora que nos guiará en el tema

Cómo se comportan las ondas si sabemos que ellas pueden trasportar energía, cómo se manifiestan, qué tipos de ondas encontramos en la naturaleza y qué efectos en la vida diaria podemos encontrar en las diferentes clases de ondas.

 

Hacia un concepto de Ondas:

La materia y la energía están íntimamente relacionadas. La primera está representada por partículas y la segunda por "ondas", aunque hoy en día esa separación no está tan clara. En el mundo subatómico "algo" puede comportarse como partícula u onda según la experiencia que se esté haciendo. Por ejemplo, la electricidad está constituida por electrones y estos presentan este doble comportamiento.(1)

Comencemos imaginando un estanque cuya agua está quieta, tiremos una piedra, pronto, pero no instantáneamente, se formarán olas. Esas "olas" en realidad son ondas que se propagan desde el centro donde la piedra, al caer, ha producido una perturbación en las moléculas sobre las que ha caído haciéndolas vibrar, transmitiendo éstas la vibración a sus moléculas vecinas y así sucesivamente. Esa perturbación se transmite en todos los sentidos y adopta una forma circular.

Si llevamos este ejemplo a un parlante, este al igual que la piedra, perturba el medio propagándose y alejándose de su fuente. Así como las ondas necesitaban al agua para poder difundirse, el sonido necesita del aire para lograr lo mismo.

Las ondas sonoras se propagan de manera tridimensional, por lo que no deberíamos hablar de circunferencias sino de esferas. Las ondas representarían la superficie de estas esferas que irían aumentando de radio a medida que se alejan de la fuente que las crea. Así que realmente hablamos de superficies de ondas.

Un rumor se propaga sin que ninguna persona de las que toman parte para difundirlo haga el viaje para tal fin. Tenemos aquí dos movimientos diferentes, el del rumor y el de las personas en difundirlo.

Veamos otro ejemplo: el viento que pasa sobre un campo de trigo determina un movimiento en forma de onda que se difunde a lo largo de toda la extensión. Sin embargo el único movimiento que hacen las plantas es de vaivén. Encontramos nuevamente dos movimientos, el de la propagación de la onda y el movimiento de cada una de las espigas.

Nótese hay una diferencia entre el movimiento de las moléculas de agua en el estanque y las moléculas del aire. Las moléculas de agua se mueven transversalmente al movimiento de la "ola" mientras que las del aire se mueven en la misma dirección, o sea longitudinalmente.

La onda consta de dos movimientos: uno es la vibración de las partículas y otro es la propagación de la onda en sí.

Si el movimiento de cada partícula es " de arriba hacia abajo y viceversa" la onda se llama transversal.. Si la partícula se mueve en la misma dirección de propagación moviéndose atrás y adelante, la onda recibe el nombre de longitudinal.

El sonido es una onda longitudinal mientras que la luz y cualquier onda electromagnética es transversal. Si hacemos ondas con una soga nos dará ondas transversales mientras que un resorte puede transportar ambos tipos de ondas.

Si colocamos un par de ejes cartesianos, observaremos que existen valores máximos ( eje y +) y mínimos ( eje y -). Cada uno de estos valores recibe el nombre de amplitud, mientras que a los intermedios se los denomina elongación. Podemos observar en la gráfica que la trayectoria que obtuvimos puede interpretarse matemáticamente como una función periódica, ya que se repite.

 

 

Actividades

Ahora que ya tenemos un concepto de lo que es una onda veamos los siguientes recursos que nos aproximarán a un mas al concepto de onda:

1. Observa el siguiente applet y registra en tu cuaderno cómo es  el comportamiento de las ondas

http://www.xtec.net/~ocasella/applets/ones/appletsol2.htm  (2)

2. Para que puedas experimentar un poco mas con los conceptos de amplitud y elongación de  una onda te invito a experimentar con el siguiente applet que te ayudará a formar un concepto mas claro. En tu cuaderno anota todas las características que tiene la onda en la medida que cambias la frecuencia, la amplitud y la tensión en la onda, haz un dibujo de estas características.

http://phet.colorado.edu/sims/wave-on-a-string/wave-on-a-string_en.html   (3)

3. Observa el siguiente video y luego responde:

 

1. Qué clases de ondas se describen en el video, ofrezca ejomplos
2. en su concepto el conocer este tema de las ondas en qué campos del conocimiento se puede aplicar, ofrezca tres (3) ejemplos.

4. Visita el siguiente enlace y busca información sobre la clasificación de las ondas, haz un resumen en tu cuaderno incluyendo los gráficos sobre cada tipo de onda.
http://www.unalmed.edu.co/fisica/paginas/cursos/paginas_cursos/recursos_web/lecciones_fisica_universitaria/leccion_ondas_mecanicas_universidad/concepto/index21.htm

Evaluación:

Realice las diferentes actividades y presente su cuaderno a su profesor, el cual será tenido en cuenta como evaluación para el tema.

   
webgrafia

1 http://soko.com.ar/Fisica/Ondas.htm
2 http://www.xtec.net/~ocasella/applets/ones/appletsol2.htm
3 http://phet.colorado.edu/sims/wave-on-a-string/wave-on-a-string_en.html
4. Video http://www.youtube El universo mecanico capitulo 18 ondas
5.
http://www.unalmed.edu.co/fisica/paginas/cursos/paginas_cursos/recursos_web/lecciones_fisica_universitaria/leccion_ondas_mecanicas_universidad/concepto/index21.htm

Movimiento, fuerza y energia

Estándar

Entramos a esta importante unidad de la física en donde entraremos en contacto con una de las unidades mas interesantes la física del movimiento, la manera como se desplazan los cuerpos, la fuerza que los impulsa y su manera de comportarse y la energía. Todos estos conceptos se encuentran imbricados en una red que no se puede hablar de una sin la otra, así que primero veamos cada uno de los conceptos y luego trataremos de comprenderla con una serie de ejercicios en donde se vean como funcionan, así que empecemos:

1. Concepto de Movimiento: (1)

movimiento

En mecánica, el movimiento es un fenómeno físico que se define como todo cambio de posición en el espacio que experimentan los cuerpos de un sistema con respecto a ellos mismos o a otro cuerpo que se toma como referencia. Todo cuerpo en movimiento describe una trayectoria.

La descripción y estudio del movimiento de un cuerpo exige determinar su posición en el espacio en función del tiempo. Para ello es necesario un sistema de referencia o referencial.

Cuando estamos sentados en el interior de un automovil en el cual estamos viajando podemos decir que nos estamos moviendo o no, y esto lo haces con referencia a tus sensaciones o al ver como pasan rapidamente arboles,  como cambia el paisaje etc. Con relación al punto de referencia que tomes para ver estos cambios por ejemplo:

- Si tomas como referencia el asiento del automovil, puedes decir que has permanecido en reposo

- Con respecto a la calle puedes decir que ha cambiado.

Estos dos puntos de referencia silla y calle, te sirven para determinar si te has movido o no. (2)

image

Definiremos a continuación los conceptos básicos de la cinemática como lo son: partícula, trayectoria, posición, desplazamiento, velocidad media, velocidad instantánea, aceleración media y aceleración instantánea.

Partícula: (3)

Es un punto material.

Cuando un cuerpo es considerado como una partícula, es porque se le desprecian sus dimensiones geométricas y no hay interés en su estructura interna.

Trayectoria

Es la línea imaginaria que describe la partícula en su movimiento. En la figura 1 se ilustran ejemplos de varias trayectorias:

 

Figura 1

Se acostumbra clasificar los movimientos de acuerdo a la trayectoria seguida por la partícula: si la trayectoria es rectilínea se le denomina movimiento rectilíneo, si es circular, movimiento circular,…

Desplazamiento (4)

El desplazamiento (s) es una magnitud vectorial que esta relacionada con el movimiento, pero una, no conlleva necesariamente a la otra. El desplazamiento de un punto “A” a otro “B”, se realizará a través de una línea recta, por lo tanto utilizará la distancia más corta entre “A” y “B”.
Una partícula que se mueve de un punto a otro, no necesariamente tuvo un desplazamiento, se dice que una partícula se desplazo, sólo cuando su posición final, es diferente a la posición inicial. El que haya existido un movimiento no es suficiente para afirmar que existe un desplazamiento.
Se simboliza por S = Xf – Xi
S = Desplazamiento Xf = Posición Final Xi = Posición Inicial
Para introducir un nuevo concepto analizaremos el siguiente problema:
El vehículo ya estudiado que viaja de Santiago a los andes, utilizando la carretera San Martín, tiene un desplazamiento entre ambas ciudades de 50Km. La pregunta que surge es ¿Por qué, el marcador de Kilómetros del automóvil marca 72 Km.?
Lo anterior se debe a que el vehículo viaja por la carretera, que no es precisamente una línea recta, si no que contiene un sin número de curvas. Este camino utilizado se conoce como “Trayectoria”.


Fig. 2: Diferencia entre desplazamiento y trayectoria.

Velocidad Media o promedio: Es el cuociente entre el Desplazamiento y el intervalo tiempo, en que se produjo el desplazamiento. Esta magnitud es del tipo vectorial.

[m/s] Siendo Xf: Posición Final XI: Posición Inicial

Por ejemplo si un vehículo lleva una velocidad media de 30 [m/s], no implica que éste, en algunos tramos pueda haber llevado una velocidad mayor o menor que 30. (Hasta podría haberse detenido), si no que su promedio fue de 30[m/s].
Rapidez Media: La rapidez media es una magnitud escalar, que nos indica que tan rápido se realizo un movimiento. Está se define como el cuociente entre el camino recorrido (trayectoria) y el tiempo empleado en recorrerlo
Aceleración Media: Esta magnitud vectorial mide cómo varía la velocidad a medida que el tiempo transcurre. Por lo tanto se define como; el cuociente entre la variación de la velocidad y el intervalo de tiempo en que se produce la variación.
Aceleración Instantánea: Se define como la aceleración media que actúa en un instante de tiempo específico, es decir, el límite cuando el intervalo de tiempo tiende a cero.

TIPOS DE MOVIMIENTO

velocidad


Existen diferentes tipos de movimiento que se pueden clasificar a grandes rasgos por su trayectoria, estos movimientos pueden ser rectilíneos o curvilíneos. En esta unidad, nos enfocaremos a estudiar los del tipo rectilíneo.
Movimiento Rectilíneo Uniforme (MRU), es aquel que realiza una partícula cuando su trayectoria esta representada por una recta y además realiza el viaje a una velocidad constante, de hay el nombre de uniforme. La grafica característica de este movimiento es:


Grafica 1: Movimiento Rectilíneo Uniforme.

Al observar la grafica, podemos ver que a medida que el tiempo pasa, el desplazamiento de la partícula aumenta en forma proporcional al tiempo, quedando como resultado una recta, esta recta, nos indica que la velocidad en un MRU es constante (diferente de cero).
Las formulas a utilizar en este tipo de movimiento son:
donde:
x(t) = La posición en función del tiempo xI = Posición inicial
x0 = Posición inicial o de partida xF = Posición final
v = Velocidad t = Tiempo.

Rapidez

rapidez1
Para describir el movimiento de un objeto no es suficiente con indicar la posición inicial, la posición final, el desplazamiento y la trayectoria, hay que considerar el intervalo del tiempo durante el cual se producen los cambios de posición.
De acuerdo  con el tiempo empleado,  podemos determinar cuando un objeto se mueve mas rapido que otro. la rapidez de un objeto se define como el cociente entre la distancia recorrida y e tiempo empleado.

image

Unidades

Tanto la rapidez como la velocidad se calculan dividiendo una longitud entre un tiempo, sus unidades también serán el cociente entre unidades de longitud y unidades de tiempo. Por ejemplo:

  • m/s
  • cm/año
  • km/h

En el Sistema Internacional, la unidad para la rapidez media es el m/s (metro por segundo). 

Tipos de rapidez (5)
Un objeto material cualquiera puede moverse de diferentes maneras, puede hacerlo con una rapidez constante o variable, puede moverse en línea recta o curva, puede ir y venir en una dirección determinada, etc. Son prácticamente infinitas las formas de moverse, sin embargo hay dos tipos de rapidez para describirlos. Una es la rapidez que en cada instante de tiempo tienen los cuerpos cuando se mueven en un cierto intervalo de tiempo, y otra la que nos informa sobre la rapidez con que ocurrió todo el proceso en ese intervalo de tiempo. La primera se llama rapidez instantánea y la segunda se llama rapidez promedio o rapidez media.

En la siguiente animación se observan un camión y una moto desplazándose a lo largo de una calle. El camión se desplaza con rapidez variable y la moto se desplaza con rapidez constante. En este caso la rapidez media del camión es igual a la de la moto pues ambos parten al mismo tiempo y llegan simultáneamente al final de la calle. (Para ver la animación entrar a: http://www.rena.edu.ve/TerceraEtapa/Fisica/Rapidez.html

Definición de rapidez media:
Rapidez media es el cociente entre la distancia recorrida por un objeto material y el intervalo de tiempo empleado en recorrer esa distancia. Operacionalmente es:

Esta definición es válida para cualquier tipo de movimiento curvo o rectilíneo.

Definición de rapidez instantánea.
Existen movimientos con desplazamientos variables por unidad de tiempo, se dice en estos casos que la rapidez es variable en el tiempo. La rapidez instantánea se refiere a la rapidez que en cada instante tiene un cuerpo en este tipo de movimientos. Parece contradictorio hablar de algo que se está moviendo en un instante de tiempo, pues para que haya movimiento es necesario que haya desplazamiento y esto ocurre al transcurrir el tiempo. El concepto se refiere a la rapidez que el objeto tiene en intervalos de tiempo tan cortos ( ¡casi cero! ) que se puede considerar que la rapidez se mantiene constante en ese intervalo.

De hecho una manera de medirlo se basa en esta idea, la rapidez se deriva del cociente entre un desplazamiento muy pequeño y el intervalo correspondiente de tiempo, el cual será muy pequeño también..

Si un cuerpo se mueve con rapidez constante, la rapidez media e instantánea coincidirán en valor numérico aunque ambos conceptos tengan significados diferentes


Significado de la rapidez media.
En la figura se muestra una vista área de el camino seguido por un móvil(carro, persona, animal, avión, cohete, etc), el cual partiendo del punto A llega al punto B en 4 minutos. Luego avanza de B a C y tarda 5 minutos en hacerlo. Finalmente avanza de C a D y tarda 7 minutos en recorrer ese tramo. Cada trayecto recto del camino tiene la misma longitud y es igual a 200 metros.

La longitud completa del camino desde A hasta D es de 12 km. y el tiempo empleado en recorrerlo es de 7 horas, la rapidez media para este trayecto es:

Este resultado nos dice que si el móvil se desplaza con una rapidez constante de 2,25 km/hora recorrerá el trayecto completo de 600 metros en 16 minutos. Aunque el movimiento haya sido con rapidez variable, la rapidez promedio o media nos da información global sobre la rapidez del movimiento.

¿Cómo se mide la rapidez?
Cada fenómeno requiere de un diseño particular y especial para medir la rapidez. No es lo mismo medir la rapidez del viento que la rapidez de un carro o la de la Luz. A continuación algunos ejemplos sobre la medida de la rapidez.

rapidez canica

Graficas distancia-tiempo

Es posible  analizar el movimiento de un objeto  a partir de gráficas de distancia – tiempo que se representan en el plano cartesiano. Para ello registramos la distancia  recorrida por un  movil en diferentes valores de tiempo, La distancia se representa en el eje vertical y  el timpo en el eje horizontal .
Para comprender este tema vamos a la siguiente animación cortesia de Colombia aprende y elaborado por
INTEL-Skoool: (6)

http://www.colombiaaprende.edu.co/recursos/skoool/quimica_y_fisica/graficos_de_distancia_tiempo/index.html

Luego de ver esta aplicación realiza el siguiente applet que simula el movimiento rectilíneo de una moto para algunos valores de la posición inicial, velocidad inicial y aceleración constante. (7)

Con él puedes estudiar algunos casos de movimientos uniformes (cuando a= 0) y de movimientos uniformemente acelerados para valores positivos y negativos de la aceleración.

  • Una vez que hayas introducido los parámetros del movimiento que desees estudiar, pulsa Lanzar y comenzará el movimiento así como la construcción de las gráficas e-t, v-t y a-t del mismo.
  • Con el botón Reinicio puedes volver a la situación inicial cuando desees.
  • El applet sólo admite valores negativos para la aceleración cuando la velocidad inicial es positiva o cuando la velocidad inicial es cero pero la posición inicial no.
  • Puedes detener y reanudar el proceso pulsando con el ratón.

Prueba con distintos movimientos y saca tus propias conclusiones sobre la relación que existe entre cada uno de ellos y sus gráficas. Más adelante estudiaremos el significado de la pendiente en las gráficas e-t y v-t, el significado del área en las gráficas v-t y la relación que existe entre las propias gráficas.

image

http://www.educaplus.org/movi/3_2applet.html

En el siguiente recurso encontraras diferentes actividades que te llevan a comprender mejor el tema:

http://www.educaplus.org/movi/3_2graficas.html

Aceleración (8)

Los conceptos de velocidad y aceleración están relacionados, pero muchas veces se hace una interpretación incorrecta de esta relación.

Muchas personas piensan que cuando un cuerpo se mueve con una gran velocidad, su aceleración también es grande; que si se mueve con velocidad pequeña es porque su aceleración es pequeña; y si su velocidad es cero, entonces su aceleración también debe valer cero. ¡Esto es un error!

La aceleración relaciona los cambios de la velocidad con el tiempo en el que se producen, es decir que mide cómo de rápidos son los cambios de velocidad:

  • Una aceleración grande significa que la velocidad cambia rápidamente.
  • Una aceleración pequeña significa que la velocidad cambia lentamente.
  • Una aceleración cero significa que la velocidad no cambia.

La aceleración nos dice cómo cambia la velocidad y no cómo es la velocidad. Por lo tanto un móvil puede tener un velocidad grande y una aceleración pequeña (o cero) y viceversa.

Como la velocidad es una magnitud que contempla la rapidez de un móvil y su dirección, los cambios que que se produzcan en la velocidad serán debidos a variaciones en la rapidez y/o en la dirección.

La aceleración es una magnitud vectorial que relaciona los cambios en la velocidad con el tiempo que tardan en producirse. Un móvil está acelerando mientras su velocidad cambia.

En Física solemos distinguir ambos tipos de cambios con dos clases de aceleración: tangencial y normal.

La aceleración tangencial para relacionar la variación de la rapidez con el tiempo y la aceleración normal (o centrípeta) para relacionar los cambios de la dirección con el tiempo.

Normalmente, cuando hablamos de aceleración nos referimos a la aceleración tangencial y olvidamos que un cuerpo también acelera al cambiar su dirección, aunque su rapidez permanezca constante.

Como estas páginas están dedicadas al estudio de los movimientos rectilíneos, y en ellos no cambia la dirección, sólo vamos a referirnos a la aceleración tangencial. Pero recuerda: ¡si el movimiento es curvilíneo, no podemos olvidarnos de la aceleración normal!

Una característica de los cuerpos acelerados es que recorren diferentes distancias en intervalos regulares de tiempo:

Intervalo

Rapidez media

durante el intervalo

Distancia recorrida
durante el intervalo

Distancia total
(desde t = 0)

0 – 1 s

5 m/s

5 m

5 m

1 s – 2 s

15 m/s

15 m

20 m

2 s – 3 s

25 m/s

25 m

45 m

3 s – 4 s

35 m/s

35 m

80 m

Observa que al ser diferente la rapidez media de cada intervalo, la distancia recorrida durante el mismo es también diferente.

Aceleración constante

La tabla anterior muestra datos de un movimiento de caída libre, donde observamos que la rapidez cambia en 10 m/s cada segundo, es decir que tiene una aceleración de 10 m/s/s o 10 m/s².

Como el cambio de la velocidad en cada intervalo es siempre el mismo (10 m/s/s), se trata de un movimiento de aceleración constante o uniformemente acelerado.

Otra conclusión que podemos sacar de los datos anteriores es que la distancia total recorrida es directamente proporcional al cuadrado del tiempo. Observa que al cabo de 2 s la distancia total recorrida es cuatro (2²) veces la recorrida en el primer segundo; a los 3 s la distancia recorrida es nueve (3²) veces mayor que la del primer segundo y a los 4 s es 16 veces (4²) esa distancia.

Los cuerpos que se mueven con aceleración constante recorren distancias directamente proporcionales al cuadrado del tiempo.

Aceleración media

La aceleración (tangencial) media de un móvil se calcula utilizando la siguiente ecuación:

Con ella calculamos el cambio medio de rapidez en el intervalo de tiempo deseado.

Para conocer la aceleración instantánea se puede utilizar la misma aproximación que hicimos para el caso de la velocidad instantánea: tomar un intervalo muy pequeño y suponer que la aceleración media en él equivale a la aceleración instantánea.

Unidades

Como puedes deducir de la ecuación anterior, la aceleración se expresa en unidades de velocidad dividida entre unidades de tiempo. Por ejemplo:

  • 3 (m/s)/s
  • 1 (km/h)/s
  • 5 (cm/s)/min

En el Sistema Internacional, la unidad de aceleración es 1 (m/s)/s, es decir 1 m/s².

Dirección de la aceleración

Como la aceleración es una magnitud vectorial, siempre tendrá asociada una dirección. La dirección del vector aceleración depende de dos cosas:

  • de que la rapidez esté aumentando o disminuyendo
  • de que el cuerpo se mueva en la dirección + o – .

El acuerdo que hemos tomado es:

Si un móvil está disminuyendo su rapidez (está frenando), entonces su aceleración va en el sentido contrario al movimiento.

Si un móvil aumenta su rapidez, la aceleración tiene el mismo sentido que la velocidad.

webgrafia

1 http://es.wikipedia.org/wiki/Movimiento_%28f%C3%ADsica%29
2 http://www.medtelecom.net/slopez/apuntes1bat/tema6.pdf
3 http://www.unalmed.edu.co/~daristiz/preuniversitario/unidades/cinematica/definiciones/concepto/
4 http://simonlopeza.blogspot.com/2006/03/cinematica.html
5 http://www.rena.edu.ve/TerceraEtapa/Fisica/Rapidez.html
6 http://www.colombiaaprende.edu.co/html/mediateca/1607/article-153826.html
7 http://www.educaplus.org/movi/3_2graficas.html
8 http://www.educaplus.org/movi/2_6aceleracion.html