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FÍSICA GENERAL CÓDIGO: 100413 Tarea - Unidad 2 – Dinámica y energía.

Presentado al tutor (a): Escriba aquí los nombres y apellidos del tutor (Tutor)

Entregado por el (la) estudiante: Escriba aquí sus nombres y Apellidos (Estudiante) Código: XXXXX

Grupo: 100413_XX

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA - UNAD ESCUELA DE CIENCIAS BÁSICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA FECHA CIUDAD

INTRODUCCIÓN

En la introducción, el estudiante redacta con sus propias palabras la importancia que tiene la realización de la tarea 2 de la unidad 2 “Medición y cinemática”. En el momento de organizar el texto de la introducción, debe tener presente qué, si utiliza algunos apartes de fuentes externas, debe citarlas y, además, incluir la fuente en la lista de referencias bibliográficas haciendo uso de las normas APA. NOTA: Es necesario que borre el presente párrafo en el momento en que defina el contenido de la introducción que incluirá en el trabajo, excepto el título “INTRODUCCIÓN”

1. Descripción de la actividad. Tarea 2 – Unidad 2: Dinámica y energía.

2. Asignación de ejercicios de la unidad 2: Tabla 1. Nombres y apellidos de los estudiantes y No de grupo.

Apreciado estudiante, después de identificados los ejercicios que se le asignaron, elimine los enunciados de los ejercicios de sus compañeros y presente el desarrollo de los mismos en el numeral 3 del presente anexo 1, Enunciados y desarrollo de los ejercicios de la tarea 2 de la unidad 2 “Dinámica y energía”. Cada estudiante debe presentar en el foro los aportes, dudas y desarrollo de los ejercicios 1 al 5 y además participar en la consolidación del informe final, según el cronograma de fechas presentado en la tabla 2: Ejercicio Definición del rol y cumplimiento de las funciones propias de este. Ejercicio 1 (simulador-video #1) Ejercicio 2. Leyes de movimiento y sus aplicaciones -Sin fricción-. Ejercicio 3. Segunda ley de Newton -fuerzas de fricción-. Ejercicio 4. Trabajo, potencia y energía. Ejercicio 5 (explicación-video #2). Componente colaborativo y consolidación del informe final

Intervalo de tiempo en el que debe ser presentado: Definición del rol: 14 y el 20 de marzo de 2020 // Cumplimiento funciones del rol seleccionado: 14 de marzo al 10 de abril de 2020 14 y 20 de marzo de 2020 21 al 31 de marzo de 2020

01 al 07 de abril de 2020. Comentarios a los videos # 1 y # 2 de cada uno de sus compañeros: 14 de marzo y el 07 de abril de 2020 // Consolidación de los aportes en el trabajo final (archivo comprimido) y presentación del informe final en el entorno de seguimiento y evaluación: 08 y el 10 de abril de 2020

Tabla 2. Cronograma de entrega de aportes en el foro colaborativo de la unidad.

3. Enunciados y desarrollo de los ejercicios de la tarea 2 de la unidad 2 “Dinámica y energía” A continuación, se presentan la lista de ejercicios individuales asignados por el tutor (Según la tabla 1) a cada uno de los estudiantes que conforman el grupo colaborativo. Después de que ubique los ejercicios que se le asignaron, elimine los enunciados de los ejercicios de sus compañeros y trabaje sobre este documento. NOTA: no debe presentan aportes en un formato diferente al actual anexo 1. Aclaraciones sobre la realización de los videos #1 y # 2 de los ejercicios 1 y 5, respectivamente:

Al inicio de la grabación del vídeo el estudiante se presenta (nombres y apellidos, cead y programa que cursa en la universidad) y se muestra en primer plano ante la cámara del computador, durante este primer momento debe mostrar a la cámara su documento de identidad tapando su número de identificación, de tal manera que solo se vean sus nombres (se recomienda por políticas de la privacidad de la información mostrar solamente sus nombres y apellidos, sin necesidad de presentar el número del documento) En conclusión, mientras se realiza la explicación del ejercicio del trabajo realizados en los ejercicios 1 y 5, la cámara de su computador debe permanecer como una ventana flotante, de tal manera que el rostro del estudiante siempre sea visible en toda la grabación. Cada video (#1 y # 2) debe durar entre 4 y 5 minutos. En el caso particular del ejercicio 5 (video #2), responda primero las preguntas orientadoras y luego realice la explicación del desarrollo del ejercicio propuesto. De esta forma, las preguntas orientadoras le servirán de guía para realizar el ejercicio. ************** ***************************** ************** ***************************** Tabla 4. Respuestas a las preguntas formuladas con base en el trabajo realizado en el simulador y la lectura asignada.

Ejercicios asignados a (estudiante # 3) Ejercicio 1. (simulador-video #1) El proceso del simulador-video #1 es el siguiente. 1. Realizar la lectura Segunda ley de Newton. 2. Utilizar el simulador Fuerzas y movimiento de la Universidad de Colorado1 y completar la tabla 4. 3. Realizar un Vídeo entre 4 y 5 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 4. 1. 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 (Ver figura 1). 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. 1

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

En la presente lectura, nos concentraremos en una breve descripción de la segunda ley o ley de la fuerza y la aceleración.

Figura 3.Generalidades de la dinámica y las leyes de movimiento de Newton.

Cuando se ve desde un marco de referencia inercial 2, 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

2

Un marco de referencia inercial es aquel en el que

se cumplen las leyes de Newton.

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 proyectil ilustra el cambio en magnitud y dirección de la velocidad. El movimiento circular uniforme ilustra el cambio de la dirección solamente (Sepúlveda, 2012 3); 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 las expression 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 . L2 T

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 ]=k g . 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 Newton4 (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

3

Alonso Sepúlveda Soto. (2012). Los conceptos de la Física. Evolución histórica 3ª edición Medellín, Colombia: Universidad de Antioquía. 4

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.

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.

2. Simulador “Fuerzas y movimiento” En la tabla 3 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 vídeo explicativo

Enlace página del recurso

Simulador “Fuerzas y movimiento”

https://youtu.be/ZoU1S-YdEl4

https://phet.colorado.edu/es/simul ation/legacy/forces-and-motion

Screencast-o-matic para la grabación y generación del enlace del vídeo.

https://youtu.be/QgBQ7Ic-d0

https://screencast-omatic.com/

Tabla 3. Vídeo tutoriales que explican el proceso para utilizar el simulador y para generar el enlace de grabación del vídeo.

Descripción del proceso: a) Ingresar al simulador: https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/forces-and-motion b) Seleccione la ventana “Gráficas” c) d) e) f) g) h)

Haga clic en la gráfica de “velocidad” 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. Por defecto en el recuadro “Fricción” aparece la superficie con madera, déjelo así. Coloque la posición del objeto en -6.0 m, para ello digite “-6” en el recuadro de la “Posición del objeto” i) 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. j) En el recuadro inferior seleccione “GRAB”, inicie el lanzamiento y deténgalo antes de que el objeto golpee el muelle (resorte) k) 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 h) al k) l) Responda las preguntas formuladas en la tabla 4. NOTA: En el vídeo graba las simulaciones realizadas para responder únicamente las preguntas de la tabla 4.

Con base en el trabajo realizado en el simulador y la revisión de la 1. Lectura: “Segunda ley de Newton” responda y justifique las preguntas asignadas en la tabla 4. 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. Respuestas (a) 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. Respuestas (b) c) Determine la pendiente de la gráfica de velocidad contra tiempo. Utilice los botones

y

para aumentar y reducir la escala de los ejes de la gráfica respectivamente. Responda esta pregunta para el caso de la superficie de madera y para el caso de la superficie de hielo. Respuestas (c) 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. Respuestas (d) e) Presente dos conclusiones con respecto a los resultados obtenidos en las preguntas a) a la d). Respuestas (e) Enlace de grabación del vídeo: Tabla 4. Respuestas a las preguntas formuladas con base en el trabajo realizado en el simulador y la lectura asignada.

Ejercicio 2. Leyes de movimiento y sus aplicaciones -Sin fricción- (Estudiante # 3) El día 15 de enero de 2014 se realiza una inspección a la estación antigua y desolada de ferrocarril, encontrando en el interior una superficie plana y horizontal, que no presenta fricción. Uno de los elementos encontrados en esa superficie, es un cubo de madera, al cual se le toman los datos de posición y su masa de 0,006 kg. Se realiza una inspección posterior al lugar, el día 15 de enero de 2018 y se encuentra que el cubo de madera está a 6,00 cm de la posición marcada en la primera visita. A partir de la anterior información: A. Presente el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan sobre la caja. B. Aplique y presente el método newtoniano para determinar el valor de la fuerza promedio en Newton presentó el viento durante el tiempo transcurrido entre las visitas C. Aplique y presente el método newtoniano para determinar el valor de la inclinación que debería tener la superficie para que se produzca la misma fuerza sobre el cubo. D. Presente la temática y/conceptos relacionados con el desarrollo del ejercicio. Ejercicio 3. Segunda ley de Newton -fuerzas de fricción- (Estudiante # 3)

El coeficiente de rozamiento estático (sin movimiento) entre la caja y el suelo es de μ s=0,780 y el coeficiente de fricción cinético (en movimiento) de μ k=0.45. Sí la caja tiene una masa de 57,0 kg y se encuentra en una superficie horizontal, determine: A. el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan sobre la caja. B. Aplique y presente el método newtoniano para determinar el valor de la fuerza externa necesaria para hacer mover la caja en cada una de las siguientes situaciones: i. Antes de iniciar el movimiento. ii. Si se mueve con velocidad constante. iii. Si se mueve con aceleración constante de 9,00 m/s2. C. Realizar un análisis en el que compare las diferencias entre las magnitudes de las fuerzas externas en las tres situaciones. Ejercicio 4. Trabajo, potencia y energía (Estudiante # 3) Un estudiante de la UNAD desea desplazar la caja de herramientas del laboratorio de física general cuya forma es cubica y tiene una masa de 11,0 kg, el estudiante decide empujar la caja 3,00 m con velocidad constante. El coeficiente de fricción cinético entre el piso del laboratorio y la caja es de 0,128, y, la fuerza horizontal aplicada por el estudiante fue de 14,0 N. A partir de la anterior información: A. presente el diagrama de cuerpo libre de las fuerzas que actúan sobre la caja. B. Presente el cálculo para determinar el trabajo realizado por la fuerza horizontal que aplica el estudiante. C. Presente el cálculo para determinar el trabajo realizado por la fuerza de fricción. D. Presente el cálculo para determinar el trabajo realizado por el peso y la normal. E. Presente el cálculo para determinar el trabajo neto. F. Presente el cálculo para determinar la rapidez final con la que se desplaza la caja de herramientas. Ejercicio 5. (explicación-video #2_Estudiante 3) Preguntas orientadoras: 1. ¿Cuáles es la unidad de medida de la potencia en el S.I. y cuales variables la componen? 2. ¿Cuál es la diferencia entre el coeficiente de fricción estático y dinámico y bajo qué condiciones se aplica? 3. ¿Cómo se expresa matemáticamente el sistema de fuerzas del enunciado en base a las leyes de Newton? 4. Para una fuerza constante, ¿cómo se expresa matemáticamente el trabajo y su unidad de medida? 5. ¿Bajo qué condiciones se suman cantidades vectoriales y escalares? Enunciado del ejercicio: Una retroexcavadora de 6,94 x 103 kg, tiene una potencia bruta de 6,81 x 104 Watt y una velocidad máxima de operación de 7,10 m/s. A partir de esta información: A. Determine la fuerza que realiza la retroexcavadora.

Se requiere que la retroexcavadora tenga la fuerza suficiente para abrir carretera en 3 diferentes terrenos, desierto, selva y tundra, cada terreno presenta una resistencia al avance de la retroexcavadora determinado por el coeficiente de fricción cinético, desierto 0,291, selva 0,700 y tundra 0,063. A partir de esta información determine: B. las fuerzas efectivas que realiza la maquinaria en cada terreno.

Si cada terreno presenta una distancia diferente, el desierto tiene una extensión de 2,27 x 104 m, la selva 1,70 x 104 m y la tundra 1,68 x 103 m, entonces: C. Determine el trabajo parcial que realiza la maquinaria en cada terreno y D. el trabajo total que realiza la maquinaria en todo el recorrido. Elementos que debe contener el video del ejercicio 5 – video # 2 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Lectura completa del enunciado. Representación gráfica (si se requiere). Indicar los conceptos que se requieren para el desarrollo del ejercicio. Indicar las variables que brinda el enunciado. Indicar las ecuaciones que usa y definir cada uno de los términos. Indicar los despejes u operaciones algebraicas. Mostrar el procedimiento paso a paso para su desarrollo Análisis físico de los resultados.

Formato del video: Contenido en forma de guion técnico, especificando los elementos necesarios para la realización del video, como imágenes, sonido y texto a mostrar en un lapso de 5,5 min (330 segundos) o.

Escena

1

Lectura completa enunciado

2

Representación gráfica

del

Imagen

Sonido

Texto

Tiemp o (seg)

Cámara con ventana flotante con vista al estudiante mostrando identificación

Presentación del estudiante y lectura del enunciado

Enunciado presentado en ventana flotante

60

Cámara con ventana flotante con rostro del estudiante y pantalla del PC

Explicación presentado

Bosquejo, dibujos o diagramas de fuerza que muestren análisis realizado

15

del

texto

3

Conceptos presaberes

y

Cámara con ventana flotante con rostro del estudiante y pantalla del PC

Explicación presentado

4

Variables dadas en el enunciado

Cámara con ventana flotante con rostro del estudiante y pantalla del PC

Explicación de variables dadas

5

Ecuaciones a usar y definir nomenclatura

6

8

9

del

texto

Conceptos teóricos y presaberes estudiados para iniciar la solución del problema

90

las

Exposición explícita de la variables dadas por el enunciado

15

Cámara con ventana flotante con rostro del estudiante y pantalla del PC

Argumentación del uso de ecuaciones físicas para la solución de este ejercicio

Ecuaciones físicas a usar a partir de los conceptos teóricos y pre saberes estudiados

15

Operaciones algebraicas y despejes

Cámara con ventana flotante con rostro del estudiante y pantalla del PC

Explicación presentado

texto

Presentación y desarrollo paso a paso de las operaciones realizadas

90

Análisis y conclusiones del resultado

Cámara con ventana flotante con rostro del estudiante y pantalla del PC

Argumentación de la coherencia del resultado, conclusión de la solución

Exposición explícita de las variables y resultado numérico obtenido y respuestas a las preguntas orientadoras.

45

del

TIEMPO TOTAL

330

El video debe ser grabado por medio de una herramienta que permita utilizar cámara, voz y pantalla; Se sugiere Loom, Camtasia, Screencast-o-Matic. La grabación debe enfocar el rostro durante todo el vídeo, a su vez se debe compartir pantalla donde se muestre el ejercicio en Word con el procedimiento.