Marzo-Abril de 2012
LICEO Nº 1 IPOLL
APUNTES DE FÍSICA
Temas y actividades hasta el primer escrito | Jhonny Sanchís
Apuntes de física 2012 Contenido Tema 1: Interacciones y fuerzas. ................................................................................................... 3 Definiciones previas .................................................................................................................. 3 Actividad 1: Trabajo de clase 1.................................................................................................. 4 Tema 2: Fuerza .............................................................................................................................. 5 Definiciones previas .................................................................................................................. 5 Ecuaciones del tema.................................................................................................................. 5 Actividad 2: Trabajo de clase 2.................................................................................................. 6 Tema 3: Fuerzas aplicadas y diagrama de cuerpo libre ................................................................ 7 Definiciones previas .................................................................................................................. 7 Análisis de cuerpo libre.............................................................................................................. 7 Lista de ecuaciones ................................................................................................................... 8 Actividad 3: Trabajo de clase 3.................................................................................................. 8 Actividad 4: Trabajo de laboratorio 1 ....................................................................................... 9 Tema 4: Movimiento en sistemas en equilibrio .......................................................................... 10 Definiciones previas ................................................................................................................ 10 Lista de ecuaciones ................................................................................................................. 11 Actividad 5: Repartido de ejercicios 1 ..................................................................................... 11
Prof. Jhonny Sanchís; 5º Biológico
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Apuntes de física 2012 Tema 1: Interacciones y fuerzas. Definiciones previas Interacción: Acción entre dos o más cuerpos. En física se hace referencia a aquellas interacciones que pueden producir un estado de equilibrio, un cambio en el movimiento o deformación.
Ilustración 1: Deformación producida por la interacción entre el suelo, el Coyote y el elástico Ilustración 2: Cambio de movimiento producido por la interacción entre la tierra y el coyote Ilustración 3: Equilibrio producido por la interacción entre suelo, Coyote y roca
Clasificación de las interacciones: Las interacciones pueden clasificarse en dos grupos que se distinguen por varios criterios; según su origen, según la posibilidad de la acción a distancia y según la conservación de la energía. Las interacciones naturales son producidas por sistemas que cambian las propiedades del espacio vacío de su entorno. Dicho espacio es distorsionado independientemente de la existencia de otros cuerpos en él. Así un imán producirá un campo magnético en su entorno independiente de si existen clavos que atraer en su entorno. Otra particularidad que tiene es la de su acción a distancia; en el magnetismo, se puede atraer un objeto sin estar en contacto. Por último la acción puede transferir energía al sistema y este puede ser devuelto al medio en su totalidad lo que significa que la energía se conserva. Las interacciones fenomenológicas se producen solo durante el la acción entre los sistemas, desapareciendo el efecto al terminar. Solo se produce cuando los sistemas están en contacto. Por último la acción produce transferencias de energía irreversibles al entorno, es decir: no conserva la energía. Por ejemplo en la fuerza de rozamiento la acción solo aparece cuando está en contacto con el piso y dicho contacto transfiere calor al medio.
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Apuntes de física 2012 Actividad 1: Trabajo de clase 1 En equipos de entre 3 y 5 personas realice la siguiente consigna de trabajo, sin exceder los 10 minutos. En la hoja en que se realice el trabajo, debe constar nombre de los integrantes, grupo y fecha de realización. 1. A continuación de la consigna de trabajo se presenta una lista de situaciones. A partir de éstas se debe: a. Identificar si existe una interacción en cada una de ellas y comentar porque. b. A las situaciones que considere interacciones debe clasificarse según su origen. i. Una manzana cae de un árbol ii. El tornillo de una nave flota en el espacio iii. Un tornillo es atraído por un imán iv. Una persona tira de su propia ropa para ir más rápido v. Un patinador tira una pelota hacia atrás para moverse vi. Un conjunto de papelitos son atraídos por una regla frotada en el pelo vii. Una persona tira de una caja con una cuerda 2. A partir de las ideas trabajadas en la parte anterior, trate de considerar situaciones de interacciones, por lo que debe: a. Describir tres situaciones donde haya interacciones naturales y tres donde haya fenomenológicas. b. Comentar que efecto (de los enumerados) producirá cada una de las interacciones en los sistemas que se vinculan. c. Piense en lo siguiente e imagine situaciones que expliquen la respuesta a la siguiente pregunta y comente: ¿una interacción puede producir efectos diferentes aun actuando sobre los mismos cuerpos? 3. Piense en formas de medir la intensidad de las interacciones como forma de analizar los posibles efectos en la acción sobre sistemas. a. Propiedades que se podrían medir para determinar la intensidad b. Elementos capaces de modificar sus propiedades por una interacción y que permitan medir su intensidad.
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Apuntes de física 2012 Tema 2: Fuerza Definiciones previas Fuerza: Medida de la intensidad de las interacciones, su unidad es el Newton (1 N = 1 Kg.m/s2). Es una magnitud vectorial, que requiere de un segmento de recta orientado con un módulo a escala de la magnitud de la fuerza aplicada. La medida de la interacción se basa en sus efectos siendo el instrumento de medida de fuerza el dinamómetro. Vector: Segmento de recta orientado, con cuatro características que definen a la magnitud que representa: Dirección: recta a la que pertenece el vector. Orientación: sentido en el que es aplicada la magnitud física. Punto de aplicación u origen: Lugar donde se origina el fenómeno estudiado. Módulo: Valor a escala de la magnitud estudiada. Versor: Vector unitario que se asigna a cada dimensión del espacio para caracterizar a cualquier otro vector en ese espacio. (i x; j y; k z). Componentes de un vector: Un vector cualquiera puede ser descompuesto en un conjunto de vectores construidos como las proyecciones sobre cada eje de un sistema cartesiano. Cada componente se escribe como el producto del versor correspondiente y el número de veces que entra éste en la componente del vector.
y z j
k
x
i
Ecuaciones del tema Dado un vector A cualquiera en un espacio (x,y), el vector se escribe de la siguiente forma: Donde Ax representa el valor del vector en el eje x, Ay representa el valor del vector A en el eje y. En la siguiente ecuación leáse |A| como el valor del módulo del vector A.
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Apuntes de física 2012 Actividad 2: Trabajo de clase 2 En equipos de entre 3 y 5 personas realice la siguiente consigna de trabajo, sin exceder los 10 minutos. En la hoja en que se realice el trabajo, debe constar nombre de los integrantes, grupo y fecha de realización. 1. A continuación de la consigna de trabajo se presenta un vector en donde aparecen señaladas sus características sin detallar. A partir de esto se debe completar los nombres de las partes del vector.
B 2. Dado los siguientes vectores, realice las siguientes consignas de trabajo: a. Determine los valores de sus componentes. b. Describa en función de los versores. c. Calcule el módulo de cada vector.
A j i
3. Represente en un par de ejes cartesianos los siguientes vectores y determine su módulo. a. b. c.
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Apuntes de física 2012 Tema 3: Fuerzas aplicadas y diagrama de cuerpo libre Definiciones previas Peso: Fuerza en que la tierra atrae a un sistema con masa. La fuerza que aparece es perpendicular a la línea del horizonte orientado hacia el centro de la tierra. F
N
Normal: Fuerza en que interactúa un sistema y la Fr superficie en la que se apoya. La fuerza aparece P perpendicular al plano de la superficie y orientada de manera saliente de ésta. Fuerza de rozamiento: Fuerza que aparece en oposición al movimiento de un cuerpo. Es paralelo a la superficie en N que se desplaza. T P
Tensión: Fuerza que se aplica sobre cuerpos de forma alargada, que tiende a aumentar su elongación, por ejemplo, en una cuerda. Es colineal con la cuerda y en el sentido del cuerpo que ejerce la fuerza.
Análisis de cuerpo libre 1er paso. Identificación de las interacciones: se debe reconocer cuál es el sistema que estamos analizando, con quienes interactúa y qué tipo de interacción se realiza. En el ejemplo el bloque interactúa con la Tierra, con el plano inclinado, con la superficie y con la cuerda.
N
Fr T P
2do paso. Identificación de las fuerzas: Se debe identificar que fuerza actúa en cada interacción y como se orientan dichas fuerzas. Basados en las definiciones presentadas veremos que las fuerzas se ubican fácilmente, solo debe tenerse en cuenta cada situación particular. Las fuerzas deben representarse en el centro del bloque teniendo en cuenta que los vectores son deslizantes.
3er paso. Elección del par de ejes: La elección del par de ejes es arbitrario, pero no por ello vamos a elegir cualquiera. Se debe tener en cuenta que debe facilitar la observación del sistema. Así que en este caso se debe colocar de manera tal que la mayor parte de los vectores se encuentre paralelo a algún eje. Una vez entendido quien realiza que interacción podemos omitir los cuerpos que interactúan y quedarnos con las interacciones.
y N
Fr T Py
Px x
4to paso. Descomposición de fuerzas que no son colineales con los versores: de esa manera se obtienen todos los vectores colineales en alguno de los dos ejes. En este ejemplo es el peso el que debe descomponerse para obtener Px y Py.
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Apuntes de física 2012 De esta manera se pueden sumar todos los vectores que se encuentran en una misma dirección. El módulo de la resultante puede determinarse mediante Pitágoras.
Lista de ecuaciones
Actividad 3: Trabajo de clase 3 En equipos de entre 3 y 5 personas realice la siguiente consigna de trabajo, sin exceder los 10 minutos. En la hoja en que se realice el trabajo, debe constar nombre de los integrantes, grupo y fecha de realización. 1. A continuación de la consigna de trabajo se presenta una situación. Describa los cuatro pasos citados para el sistema de fuerzas actúan sobre el sistema. 2. Si la masa es de 2,5 Kg y el coeficiente de rozamiento es de 0,4, descansando sobre un plano de 37º; permaneciendo en reposo, determine: a. El diagrama de cuerpo libre con los vectores a escala. b. Describa en función de los versores cada fuerza representada. c. Determine la tensión.
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Apuntes de física 2012 Actividad 4: Trabajo de laboratorio 1 Sistemas en equilibrio: Cuerpos en reposo Objetivo: Describir las propiedades de un sistema en equilibrio; estableciendo mecanismos de suma de vectores no colineales. Conceptos a ser manejados: Equilibrio, reposo, fuerza, peso, vectores. Materiales y diseño del dispositivo: El dispositivo: Pesas, hilos, poleas. Elementos de recolección de datos: Papel, marcador, cámara de fotos. Preguntas previas: 1. ¿Qué características se observa en un sistema en equilibrio? 2. ¿Qué condiciones se deben dar en el sistema para que se encuentre en equilibrio? 3. Dado el sistema planteado a. ¿Cómo representaría las fuerzas aplicadas sobre el sistema? b. ¿Cómo determinaría la fuerza neta? Procedimiento: 1. Disponga el número pesas en cada hilo de manera que el sistema se encuentre en equilibrio, en varias disposiciones diferentes. 2. Calque la disposición de los hilos, prestando atención en anotar previamente la cantidad de pesas en cada una. 3. También saque fotos de cada disposición. Análisis de datos: 1. Calcule la fuerza ejercida por cada cantidad de pesas colgadas en cada hilo. 2. Establezca una escala para las fuerzas. 3. Coloque un vector que represente cada fuerza en cada hilo. 4. Sume las fuerzas de manera gráfica según lo descripto en el teórico. 5. Repita las observaciones usando el Tracker. a. Coloque un par de ejes usando de referencia el nudo de los hilos b. Establezca una escala y coloque los vectores a escala en cada hilo c. Determine el vector suma Conclusiones: 1. Observe y compare los resultados obtenidos manualmente y en el tracker. 2. Comente los resultados obtenidos e intente explicar las diferencias respecto a los resultados esperados.
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Apuntes de física 2012 Tema 4: Movimiento en sistemas en equilibrio Definiciones previas Equilibrio: Es cuando la suma de fuerzas en cada dirección del espacio es cero. Se pueden observar estados de reposo o de movimiento de velocidad constante. Movimiento: Cambio de posición respecto a un sistema de referencia. Sistema de referencia (O): Lugar que se elige arbitrariamente en el espacio para comparar las posiciones de un sistema. Posición ( ): Magnitud vectorial que indica la distancia, dirección y sentido respecto a un sistema de referencia. Se mide en metros. Desplazamiento ( metros.
): Magnitud vectorial que indica un cambio en la posición. Se mide en
Recorrido (Δx): Distancia medida a partir de cada uno de los puntos que ocupo el sistema. Se mide en metros Inicio o tiempo inicial (t0): Momento en que se comienza a observar un fenómeno. Se mide en segundos. Final o tiempo final (tf): Momento en que termina de observarse el fenómeno. Se mide en segundos. Duración (Δt): Tiempo que dura la observación. Se mide en segundos. Rapidez (v): Relación entre recorrido realizado y la duración del movimiento. Se mide en metros/segundos. Velocidad ( ): Relación entre desplazamiento realizado y duración del movimiento. Se mide en metros/segundos. Movimiento Rectilíneo Uniforme: Movimiento en línea recta con velocidad constante. Las gráficas del movimiento se observan de las siguientes formas.
25
v(m/s)
x(m)
a(m/s2)
6
1
5
20
0,8
4
15
3
0,6
10
2
0,4
5
1
0
t(s) 0
1
2
3
4
0,2
0
5
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t(s) 0
1
2
3
4
5
0
t(s) 0
1
2
3
4
5
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Apuntes de física 2012 Lista de ecuaciones
Actividad 5: Repartido de ejercicios 1 1. Comente brevemente las siguientes frases sabiendo que todas tienen la particularidad de estar incompletas o ser incorrectas. a. El peso es una fuerza fenomenológica b. La fuerza de rozamiento es una fuerza fenomenológica. c. Cuando el sistema está en equilibrio es posible determinar fácilmente la suma de fuerzas. d. Un sistema en equilibrio puede estar en movimiento. 2. Dadas las siguientes fuerzas, represente las sumas que se detallan a continuación determine el módulo del vector suma de ellas. a. b. c. d. 3. En el siguiente texto identifique o calcule los siguientes parámetros: Punto de referencia, posición inicial, posición final, inicio, final, duración, desplazamiento y velocidad media. “Luego de media hora de retraso, el ómnibus partió de salto (495 Km) a las 3 de la tarde. Luego de un viaje de 1 hora y cuarto llega a Paysandú (385 Km)” 4. En una competencia un corredor parte de la meta de salida hacia el extremo de la pista a 400 m en 2m:30s y vuelve 150 m hacia el origen a 18 Km/h. a. Determine desplazamiento y recorrido. b. Calcule rapidez y velocidad. c. Determine el tiempo total de recorrido t(s) x(m) 5. En un experimento se obtiene la siguiente secuencia de datos 0,32 3,0 posiciones en función del tiempo. A partir de ella determine la velocidad del sistema y realice las gráficas de x(t) y v(t). 0,58 2,3
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0,70
1,9
0,95
1,2
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Apuntes de física 2012 Actividad 6: Trabajo de laboratorio 2 Sistemas en equilibrio: Cuerpos en movimiento Objetivo: Describir el movimiento de un sistema en equilibrio. Conceptos a ser manejados: Equilibrio, movimiento, fuerza, peso, vectores. Materiales y diseño del dispositivo: El dispositivo: Carrito, rieles, pesas, hilos, poleas. Elementos de recolección de datos: Cámara de fotos. Preguntas previas: 1. ¿Puede moverse un cuerpo estando en equilibrio? 2. ¿Qué tipo de movimiento debería tener un sistema en equilibrio? 3. Dado el sistema planteado a. ¿Cómo se aseguraría que la fuerza neta es cero? b. ¿Qué magnitudes se deberían medir para determinar el tipo de movimiento? Procedimiento: 1. Disponga el sistema de manera que la fuerza neta del sistema sea cero. 2. Marque el punto donde comienza el movimiento con fuerza neta cero. 3. Filme el recorrido del sistema. Procesamiento de datos: 1. Cargue el video en el programa Tracker. 2. Coloque un par de ejes usando de referencia la marca realizada, 3. Establezca una escala para la distancia. 4. Seleccione el intervalo útil de la filmación. 5. Marque las posiciones en cada cuadro. Análisis de datos: 1. Represente gráficamente posición en función del tiempo. 2. Determine la pendiente de la recta en más de un intervalo de tiempo. Conclusiones: 1. Observe y compare los resultados obtenidos con las gráficas de MRU. 2. Comente los resultados obtenidos e intente explicar las diferencias respecto a los resultados esperados.
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