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• Diana Santibañez

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Anexo 1 Ejercicios Tarea 2 UNAD - Física General - 100413 1. Descripción de la actividad. Tarea 2 – Unidad 2: Dinámica y Energía. Tipo de Individual X actividad: Momento de la Inicial evaluación: Peso evaluativo de la actividad: 75 puntos Fecha de inicio de la actividad: lunes, 15 de marzo de 2021

Colaborativa Intermedia, unidad: Entorno de

X

Número semanas

X

Final entrega

de

de

4

actividad:

Evaluación

Fecha de cierre de la actividad: sábado, 10 de abril de 2021

2. Descripción y cronograma de la tarea 2 de la unidad 2 “Dinámica y Energía” La presente tarea consiste en el desarrollo de 5 ejercicios; 1 ejercicio desarrollado por medio de un simulador, 3 ejercicios básicos teóricos y 1 ejercicio de profundización teórico. Ver la Error: Reference source not foundA con la descripción de cada ejercicio y el cronograma de presentación de cada uno. Actividad

Descripción Plazo

Individual: Desarrollo de las actividades sugeridas en el simulador y grabación de un vídeo, donde se evidencie el manejo del simulador. Este vídeo se debe presentar en el foro de discusión, en el cual también debe ir Ejercicio 1 formulada una pregunta a sus compañeros. Del 15 de marzo hasta Colaborativa: Revisar el vídeo de sus el 30 de marzo compañeros y responder en el foro al menos dos de las preguntas formuladas por sus compañeros del grupo colaborativo. Individual: Ejercicios básicos, se debe Ejercicios 2, 3 y presentar su desarrollo analítico en el foro de 4 discusión. Ejercicio 5 Individual: Ejercicio de profundización, se Del 31 de marzo hasta debe realizar desarrollo analítico y analizar el el 07 de abril resultado. Compilación de Individual: Cada estudiante compila en el Del 08 de abril al 10 de ejercicios y “Anexo 2 Formato Tarea 2” el desarrollo de abril 1 entrega de la los 5 ejercicios y los sube en el entorno de tarea evaluación. Tabla A. Descripción de los ejercicios a realizar y cronograma de entrega. 1

Los aportes realizados entre los últimos tres días en que la actividad de la tarea 2 esté habilitado no podrán ser retroalimentados por los tutores, y, en caso de que sean los únicos aportes de los estudiantes, entonces, serán penalizados tal como está establecido en la Resolución Rectoral 006808 del 19 de agosto de 2014.

3. Enunciados y desarrollo de los ejercicios de la tarea 2 de la unidad 2 “Dinámica y Energía” En los ejercicios, 1, 2, 3, 4 y 5 encontrará que, en los datos numéricos, en alguno de los dígitos aparece el símbolo “#”; este símbolo usted lo debe cambiar por el último dígito de su documento de identificación para que con el número que se forme, pueda realizar el ejercicio propuesto. Si con su último dígito se forma un valor de cero, cámbielo por 1.

Ejercicio 1. (Simulador-video) El proceso del simulador-video es el siguiente: A. Realizar la lectura Segunda ley de Newton. B. Utilizar el simulador Fuerzas y movimiento de la Universidad de Colorado2 y completar la tabla 2 C. Realizar un Vídeo (de máximo 4 minutos) y subirlo a un canal como youtube o similares; en el video debe hacer las simulaciones necesarias para responder las preguntas de la tabla 2. A. Lectura: “Segunda ley de Newton”

En términos generales, la dinámica es la rama de la física que describe la evolución en el tiempo de un sistema físico con respecto a las causas que provocan los cambios de estado físico y/o estado de movimiento (Fuerzas). El objetivo de la dinámica es describir los factores capaces de producir alteraciones de un sistema físico, cuantificarlos y plantear ecuaciones de movimiento o ecuaciones de evolución para dicho sistema de operación. Las leyes o axiomas de movimiento fueron presentadas por Isaac Newton en un capítulo introductorio a los tres libros de los Principia, las cuales son la ley de la inercia, la ley de la fuerza y la aceleración y la ley de la acción y la reacción, como se evidencia en la figura 1. En la presente lectura, nos concentraremos en una breve descripción de la segunda ley o ley de la fuerza y la aceleración.

2

Recurso tomado de https://phet.colorado.edu/es/simulations/category/physics

Figura 1. Generalidades de la dinámica y las leyes de movimiento de Newton. Cuando se ve desde un marco de referencia inercial 3, la aceleración de un objeto es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre éste e inversamente proporcional a su masa:

a ∝ F neta a ∝

1 (1) M

Si se elige una constante de proporcionalidad 1, la masa inercial, aceleración y fuerza se relacionan a través del siguiente enunciado matemático conocido como la segunda ley de Newton o ley de la aceleración:

F neta=Ma (2) Donde la fuerza neta ( F neta) es la suma vectorial de las fuerzas individuales que actúan sobre el cuerpo, siendo cada una de estas junto con la aceleración magnitudes vectoriales, es decir, magnitudes con dirección y sentido. Por lo anterior, la segunda ley de Newton usualmente se escribe así:

Σ⃗ F =M ⃗a (3) Cuando una fuerza (F) que se aplica a un objeto o sistema físico, esta puede cambiar el estado inicial de movimiento del sistema, o lo que es lo mismo, produce cambios en la velocidad del sistema que pueden ser en la dirección o en la magnitud de la velocidad o en ambas, siendo estos cambios en la velocidad con respecto al tiempo, lo que se conoce en física como la aceleración (a⃗ ) del sistema. Un cuerpo que cae desde el reposo, en las cercanías de la tierra, ejemplifica cambio de magnitud de la velocidad sin alteración de la dirección. El movimiento parabólico de un 3

Un marco de referencia inercial es aquel en el que

se cumplen las leyes de Newton.

proyectil ilustra el cambio en magnitud y dirección de la velocidad. El movimiento circular uniforme ilustra el cambio de la dirección solamente (Sepúlveda, 2012 4); en todos esos ejemplos, se dice que el sistema está acelerado. Análisis Dimensional

∑ ⃗F =m∗⃗a Segunda ley de Newton. Cuando se encierra entre corchetes rectos la expresión de una ley física, se indica que se realizará el análisis dimensional de la expresión, con la cual se busca verificar y en algunos determinar las unidades de medida de alguna cantidad física.

[ ⃗F ]= [ m. ⃗a ]

[ ⃗F ]=M .

L T2

Donde M (Masa), L (Longitud) y T (Tiempo) en el sistema internacional de medidas (S.I.) representan el kilogramo, el metro y el segundo respectivamente, por lo tanto, se tiene que las unidades de medida de la fuerza en el S.I. están determinadas por:

[ ⃗F ]=kg . m2 =N (Newton) s

Se tiene entonces que el Newton (N), es la unidad de la fuerza en el sistema internacional, en honor a Isaac Newton5 (1642-1727) Método Newtoniano Para analizar teóricamente el movimiento de un sistema mecánico desde el punto de vista de los agentes que lo producen, se aplica la metodología newtoniana; en este procedimiento es necesario tener en cuenta el siguiente procedimiento: 1. Identifique las fuerzas que actúan sobre el sistema y realice el diagrama de cuerpo libre (D.C.L.) para cada una de las masas que conforman el sistema físico, esto significa que se debe realizar un D.C.L. por cada masa del sistema. Sugerencia: se recomienda que uno de los ejes del sistema de referencia (Plano cartesiano), sea paralelo a la dirección del desplazamiento del objeto, con el fin que disminuir la extensión en los cálculos. 2. Plantear la segunda ley de Newton para cada una de las masas. NOTA: Se debe plantear la segunda ley de Newton a cada masa de manera independiente para cada eje, esto significa que, si sobre una masa actúan fuerzas sobre dos ejes diferentes, entonces, para cada eje se debe plantear la segunda ley de Newton y, por lo tanto, para esa masa se tendría dos ecuaciones de movimiento, una por cada eje. 3. Resolver el sistema de ecuaciones resultante, y finalmente interpretar los resultados. 4

Alonso Sepúlveda Soto. (2012). Los conceptos de la Física. Evolución histórica 3ª edición Medellín, Colombia: Universidad de Antioquía. 5

Físico, filósofo, teólogo, inventor, alquimista y matemático inglés (1642-1727) quien realizó significativos aportes en física mecánica, cálculo infinitesimal, luz y óptica entre otras ramas del conocimiento.

B. Simulador “Fuerzas y movimiento” En la tabla 1 se presentan dos tutoriales, el primero de ellos muestra el paso a paso de cómo se utiliza el simulador y segundo explica cómo se genera el enlace de la grabación del vídeo. Descripción

Enlace explicativo

vídeo Enlace página del recurso

Simulador “Fuerzas y movimiento”

https://youtu.be/ZoU1S-YdEl4

https://phet.colorado.edu/es /simulation/legacy/forcesand-motion

Screencast-o-matic para la https://youtu.be/QgBhttps://screencast-ograbación y generación del enlace Q7Ic-d0 matic.com/ del vídeo. Tabla 1. Vídeos tutoriales que explican el proceso para utilizar el simulador y para generar el enlace de grabación del vídeo. Descripción del proceso: a) Ingresar motion

al

simulador:

https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/forces-and-

b) Seleccione la ventana “Gráficas” c) Haga clic en la gráfica de “Posición” d) Haga clic en la gráfica de “Velocidad” e) f) g) h)

i) j) k) l)

Haga clic en la gráfica de “Aceleración” En el recuadro “Vectores” active las opciones de Fuerza y Fuerza Neta”. Haga clic en la opción “playback y coloque el movimiento en lento. En la opción “Elige objeto”  Seleccione el cajón pequeño si su documento de identificación termina en 0,1,2,3  Seleccione el archivador si su documento de identificación termina en 4, 5, 6  Seleccione el frigorífico si su documento de identificación termina en 7, 8, 9 Por defecto en el recuadro “Fricción” aparece la superficie con madera, déjelo así. En la sección de muros seleccione la opción “muelles”. Coloque la posición del objeto en -#.0 m, para ello digite este número en el recuadro de la “Posición del objeto”. Con el mouse incremente el valor de la “fuerza aplicada” hasta que el vector Fuerza neta (Color verde) sea levemente visible en el diagrama de fuerzas que aparece sobre el objeto.

m) En el recuadro inferior seleccione “GRAB”, inicie el lanzamiento y deténgalo antes de que el objeto golpee el muelle (resorte). n) Haga clic en el botón “Reiniciar todo” después en el recuadro “Fricción” seleccione la opción “Hielo (sin fricción) y repita los procesos de los literales c) al m). o) Responda las preguntas formuladas en la tabla 2. NOTA: En el vídeo graba las simulaciones realizadas para responder únicamente las preguntas de la tabla 2.

p) Con base en el trabajo realizado en el simulador y la revisión de la Lectura: “Segunda ley de Newton” responda y justifique las preguntas asignadas en la tabla 2. Además, copie el enlace de grabación del vídeo.

Preguntas que debe responder en el vídeo y justificar utilizando el simulador

A.

¿Cuáles son los valores de la fuerza aplicada y la fuerza de fricción? Responda esta pregunta para el caso de la superficie de madera y para el caso de la superficie de hielo. Respuesta:

B.

¿Cuál el valor de la fuerza neta y como se obtiene este valor a partir de los valores de la fuerza aplicada y la fuerza de fricción? Responda esta pregunta para el caso de la superficie de madera y para el caso de la superficie de hielo. Respuesta: ¿Cuál fue la distancia recorrida y el tiempo utilizado para recorrer esa distancia?

C.

Utilice los botones y para aumentar y reducir la escala de los ejes de la gráfica respectivamente. ¿Qué tipo de gráfica se obtuvo en la relación posición contra tiempo? Responda estas preguntas para el caso de la superficie de madera y para el caso de la superficie de hielo. Respuesta:

D.

¿Qué tipo de gráfica se obtuvo en la relación velocidad contra tiempo? ¿Qué tipo de movimiento representa la gráfica de velocidad contra tiempo mostrada en el simulador? ¿Cuál es el comportamiento de la velocidad del objeto a medida que el tiempo cambia? Responda estas preguntas para el caso de la superficie de madera y para el caso de la superficie de hielo. Respuesta:

E.

¿Cuál es el valor de la aceleración del objeto? ¿Qué tipo de gráfica se obtuvo en la relación aceleración contra tiempo? ¿Qué tipo de movimiento representa la gráfica de aceleración contra tiempo mostrada en el simulador? Responda estas preguntas para el caso de la superficie de madera y para el caso de la superficie de hielo.

Respuesta: Copie aquí el enlace del vídeo: Escriba en este espacio la pregunta que formuló a sus compañeros de grupo. Tabla 2. Respuestas a las preguntas del ejercicio 1.

Ejercicio 2. Leyes de movimiento y sus aplicaciones Un estudiante de la UNAD debe mover una mesa de #00 kg de masa, la cual deberá ser arrastrada 20 metros en línea recta de su posición original en el eje X, tal y como se aprecia en la siguiente figura.

F cuya aceleración es 2 m/s 2 y el coeficiente de Si el estudiante aplica una fuerza horizontal ⃗ fricción cinético μk entre el piso y la mesa es de 0.#, determinar: a) El diagrama de cuerpo libre (DCL) del sistema. F por el estudiante b) La fuerza ejercida ⃗ c) El trabajo realizado al desplazar la mesa los 20 metros.

Ejercicio 3. Segunda ley de Newton Una grúa levanta una carga de #00 kg de masa, con una aceleración de 0.# m/s 2. A partir de esta información: a) Calcule la tensión del cable de la grúa b) Calcule la altura que lleva la carga a los 10 segundos c) ¿Cuánta potencia debe proporcionar el motor para levantar la carga con una rapidez constante de 5.00 m/s ? (Recuerde que el motor debe suministrar la fuerza de tensión que levanta la carga hacia arriba).

Ejercicio 4. Trabajo, potencia y energía Una moneda de acero y níquel de # gr, se deja caer desde un rascacielos que tiene una altura de #00 m. a) ¿Cuál es su energía cinética en Joules, justamente antes del impacto (despreciar el rozamiento del aire)? b) Cuál es la relación (cociente) entre la velocidad de la moneda justo antes de llegar al suelo y la velocidad récord de un automóvil de fórmula 1, 378 km/ h? c) ¿Por qué se podría afirmar que una moneda de acero y níquel en caída libre de los rascacielos no podría, hacerle daño a una persona que va pasando por la calle del frente del edificio a pesar de su gran velocidad al aproximarse al piso?

En el ejercicio 5 usted va a encontrar 5 ejercicios llamados: Ejercicio 5. (Estudiante #1), Ejercicio 5. (Estudiante #2), Ejercicio 5. (Estudiante #3), Ejercicio 5. (Estudiante #4), Ejercicio 5. (Estudiante #5), de estos ejercicios solo debe desarrollar uno. Para verificar la asignación del ejercicio que le corresponde solucionar, haga clic en el siguiente enlace: https://drive.google.com/file/d/1QcnZVk-9QOYGL7nXJDNJ6I-MZ0KCGrB9/view?usp=sharing Al ingresar al enlace, presione simultáneamente ctrl + F, luego digite sus últimos 5 dígitos de su documento de identificación y oprima enter, junto a su documento le aparecerá asignado un número de estudiante, por lo que el ejercicio 5 correspondiente a ese estudiante es el que tiene que solucionar.

Ejercicio 5. (Estudiante 1) Preguntas orientadoras: ¿Qué establecen las tres leyes de Newton y cuáles de ellas usará en este problema? ¿Cómo se realiza un diagrama de cuerpo libre, donde se identifique de manera clara las fuerzas que intervienen en un sistema? Enunciado del ejercicio: A un automóvil parqueado en una pendiente cuesta abajo le falla el freno de mano, lo que hace que inicie su deslizamiento sin ningún tipo de control.   Asuma el coeficiente de fricción cinética entre la llanta y el asfalto con un valor de 0.# a) Identifique las fuerzas que actúan sobre el sistema y realice el diagrama de cuerpo libre. b) Plantee las dos ecuaciones de movimiento de acuerdo a la segunda ley de Newton (una para cada eje) c) Encuentre la aceleración del automóvil si la pendiente tiene un ángulo de inclinación de #0 grados 

Ejercicio 5. (Estudiante 2) Preguntas orientadoras: ¿Qué establecen las tres leyes de Newton y cuáles de ellas usará en este problema? ¿Qué significa que un sistema esté en equilibrio de fuerzas? Enunciado del ejercicio: Un bloque de masa 1# kg se encuentra sobre un plano inclinado con un ángulo de inclinación de 3# grados; el bloque se encuentra atado al punto superior del plano por un resorte de constante k=50 N/m. Suponiendo que el bloque desciende por la superficie del plano sin rozamiento: a) Realice el diagrama de cuerpo libre del bloque (identifique todas las fuerzas que intervienen). b) Aplique la segunda ley de Newton para para obtener las componentes de las fuerzas en los ejes X e Y respectivamente. c) Encuentre el valor de la aceleración del movimiento cuando el resorte se ha estirado 20 cm. 

Ejercicio 5. (Estudiante 3) Preguntas orientadoras: ¿Qué es la energía potencial? ¿Qué es la potencia? Enunciado del ejercicio: El caudal normal de las cataratas de Iguazú en la frontera de Brasil y Argentina es de 555 m 3 /s en temporada de lluvias. Si toda la energía potencial se pudiera convertir en energía eléctrica. a). ¿Cuánta energía por unidad de tiempo (Potencia) se estaría generando teniendo en cuenta que la altura de la cascada es de 8# m? (densidad del agua =1000

kg ) m3

b). ¿Cuál es el valor de la energía potencial? c). Si el agua al caer pasará por una turbina de 80% de eficiencia ¿Cuál sería el valor de la velocidad con la que sale el agua?

Ejercicio 5. (Estudiante 4) Preguntas orientadoras: ¿Cuál es la diferencia entre masa y peso? ¿Cómo se expresa matemáticamente el sistema de fuerzas del enunciado con base a las leyes de Newton?

Enunciado del ejercicio: Un ascensor con una masa de #00 Kg que esta sostenido por un cable, inicia su recorrido desde el primer piso hasta el tercer piso. Comienza su movimiento con aceleración constante durante #.00 s hasta que alcanza la velocidad de 2 m/s . a) Realice el diagrama de cuerpo libre del ascensor (identifique todas las fuerzas que intervienen). b) Calcule el valor de la potencia generada por el ascensor durante ese periodo de tiempo. c) Si el ascensor baja con movimiento uniformemente acelerado siendo su aceleración a=1 m/s, ¿Cuál es el valor de la tensión que experimenta el cable?

Ejercicio 5. (Estudiante # 5) Preguntas orientadoras: 1. ¿Qué es el trabajo? 2. ¿Qué es la potencia? Enunciado del ejercicio: Una Ingeniera Industrial de la UNAD está laborando en una empresa de producción de artesanías y es la encargada en el sector de calidad, ella debe velar por el empaque en cajas con todas las normas establecidas por la ley y que el producto final llegue sin ninguna avería. Ella adquirió una cinta transportadora, la cual ejerce una fuerza de # kN para efectuar su movimiento cuya función es desplazar la mercancía de un punto a otro. La cinta pasa por cuatro áreas (producción, ensamble, revisión y control). El gerente de la empresa le solicitó determinar la potencia ejercida en cada una de las áreas y la total, para poder así determinar el valor de la masa limite que puede cargar la cinta en toda su trayectoria.

Teniendo en cuenta lo anterior y que el tiempo que tarda en cada área es el mismo (sin importar su longitud) es de #00 segundos: a. Determine el trabajo ejercido en cada una de las áreas. b. Determine la potencia ejercida por área.

c. Encuentre el trabajo y la potencia totales ejercida desde el sector de producción hasta control.