Cobac Física II Ok_2

FÍSICA II Guía de Estudio EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR Ing. Gloria Flores Martínez

“EDUCACIÓN DE CALIDAD PARA TODOS”

Colegio de Bachilleres de Coahuila Sistema de Enseñanza Abierta COLEGIO DE BACHILLERES DE COAHUILA

COLEGIO DE BACHILLERES DE COAHUILA SISTEMA DE ENSEÑANZA ABIERTA Física II

PRÓLOGO El Colegio de Bachilleres Bachilleres de Coahuila Coahuila cumple con la misión que le fue asignada desde su fundación en el año de 2007; enfocada a impartir educación de calidad en el nivel Medio Superior, ofertando un servicio educativo en sus diferentes modalidades que permita el desarrollo integral de los estudiantes, con un enfoque humanista, propedéutico y de formación para el trabajo, fomentando los valores universales, las actividades académicas, deportivas, sociales y culturales y creando una conciencia analítica que le permita adoptar una actitud responsable ante la sociedad, consolidándose como una de las mejores opciones educativas del Estado. En el Sistema de Enseñanza Abierta opción de educación mixta que ofrece una educación semipresencial, mediante los servicios de Asesores de Contenido y los materiales didácticos incluidos en sus guías pedagógicas; implementa la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS) 2009 que contiene estrategias de enseñanza basadas basadas en el aprendizaje aprendizaje con alumnos que trabajan a su propio ritmo, tienen su propio modo personal de demostrar sus conocimientos y mediante el desarrollo de competencias amplían sus habilidades y mejoran sus actitudes para que se movilicen de forma integral i ntegral en contextos específicos. Es un orgullo para el COBAC la implementación de la RIEMS con el desarrollo de 31 guías de Componente de Formación Básica; 8 guías del Componente de Formación Propedéutica, realizadas en equipo por los Asesores del Contenido de los SEAS de Chihuahua y Cd. Juárez y la colaboración de Docentes de la Institución.

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PRÓLOGO El Colegio de Bachilleres Bachilleres de Coahuila Coahuila cumple con la misión que le fue asignada desde su fundación en el año de 2007; enfocada a impartir educación de calidad en el nivel Medio Superior, ofertando un servicio educativo en sus diferentes modalidades que permita el desarrollo integral de los estudiantes, con un enfoque humanista, propedéutico y de formación para el trabajo, fomentando los valores universales, las actividades académicas, deportivas, sociales y culturales y creando una conciencia analítica que le permita adoptar una actitud responsable ante la sociedad, consolidándose como una de las mejores opciones educativas del Estado. En el Sistema de Enseñanza Abierta opción de educación mixta que ofrece una educación semipresencial, mediante los servicios de Asesores de Contenido y los materiales didácticos incluidos en sus guías pedagógicas; implementa la Reforma Integral de la Educación Media Superior (RIEMS) 2009 que contiene estrategias de enseñanza basadas basadas en el aprendizaje aprendizaje con alumnos que trabajan a su propio ritmo, tienen su propio modo personal de demostrar sus conocimientos y mediante el desarrollo de competencias amplían sus habilidades y mejoran sus actitudes para que se movilicen de forma integral i ntegral en contextos específicos. Es un orgullo para el COBAC la implementación de la RIEMS con el desarrollo de 31 guías de Componente de Formación Básica; 8 guías del Componente de Formación Propedéutica, realizadas en equipo por los Asesores del Contenido de los SEAS de Chihuahua y Cd. Juárez y la colaboración de Docentes de la Institución.

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ÍNDICE Módulo I: Hidráulica

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1.1 Hidrostática 1.1.1 Definición de Hidráulica 1.1.2 Características de los líquidos 1.1.3 Densidad y peso específico 1.1.4 Presión, presión hidrostática, presión atmosférica, presión manométrica y presión absoluta 1.1.5 Principio de Pascal 1.1.6 Principio de Arquímedes 1.2 Hidrodinámica 1.2.1 Concepto de hidrodinámica y sus aplicaciones 1.2.2 Gasto y ecuación de continuidad 1.2.3 Teorema de Bernoulli y sus aplicaciones Actividad experimental No.1 No.1 Módulo II: Calor y temperatura

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2.1 Diferencia entre calor y temperatura 2.1.1. Concepto de temperatura y su medición 2.1.2. Concepto de calor y sus unidades de medida 2.1.3. Mecanismos de transferencia de calor 2.1.4. Dilatación de los cuerpos, lineal, superficial y volumétrica 2.1.5. Dilatación irregular del agua 2.1.6. Calor especifico de las sustancias 2.1.7. Calor cedido y absorbido por los cuerpos Actividad Experimental No.2 Módulo III: Electricidad, magnetismo y electromagnetismo

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3.1. Electricidad: electrostática y electrodinámica 3.1.1. Antecedentes históricos de la electricidad y conceptos de electrostática y electrodinámica 3.1.2. Carga eléctrica, unidad de medida en el Sistema Internacional, interacción entre cargas y formas de electrizar a los cuerpos 3.1.3. Materiales conductores y aislantes, electroscopio y jaula de Faraday 3.1.4. Ley de Coulomb, campo eléctrico y su intensidad 3.1.5. Diferencia de potencia o voltaje, corriente eléctrica, resistencia y ley de Ohm 3.1.6. Concepto de pila. Circuitos eléctricos con pilas y resistencias conectadas en serie y paralelo 3.1.7. Potencia eléctrica y el efecto Joule 3.2. Magnetismo 3.2.1. Concepto de magnetismo  Tipos de imanes  Campo Magnético  Interacción entre polos 3.2.2 Magnetismo terrestre

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3.3. Electromagnetismo 3.3.1. Concepto de electromagnetismo y su desarrollo histórico 3.3.2 Descripción cualitativa del campo magnético producido por una corriente eléctrica en un conductor recto, una espira y un solenoide 3.3.3. Inducción electromagnética y su relevancia en la electrificación 3.3.4. Características de la corriente directa y alterna -Funcionamiento del transformador, generador y motor eléctrico 3.3.5. Impacto social, cultural y ambiental de las contribuciones de la Física. Riesgos y beneficios Actividad experimental No.3 Bibliografía

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PRESENTACIÓN Esta guía pedagógica como material de apoyo para tu aprendizaje de la asignatura de FÍSICA II te ofrece abordar cada uno de los contenidos temáticos a través de diversas actividades, desarrollando competencias y habilidades que tienen que ver con tu formación durante tu educación media superior a través del SEA, las cuales te permiten acceder a una cultura científica que enriquezca tu cultura general e integral, de tal manera que valores la relación de la Física con el desarrollo científico-tecnológico, en tu vida cotidiana. Esta guía implica formas de trabajo que propician la reflexión, la crítica, la creatividad, el fortalecimiento de tus valores y la corresponsabilidad en las acciones que contribuyen a la conservación del medio ambiente a través de un proceso constante de auto comprensión, autoformación, autogestión y autodesarrollo, que te permiten ser el protagonista de tu formación.

INTRODUCCIÓN El conocimiento científico está íntimamente ligado con todo lo que existe en el Universo. Ha sido la curiosidad del hombre lo que le ha dado la oportunidad de llevar a cabo una investigación científica abarcando campos ilimitados del universo y sus fenómenos naturales y sociales que lo promueven, posibilitando la comprensión de nuestro mundo actual. La Física se ubica dentro del campo de las Ciencias Naturales y se caracteriza por ser la ciencia experimental que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del ser humano. Gracias a su estudio e investigación, ha sido posible encontrar una explicación de los fenómenos que se presentan en nuestra vida diaria. Además de permitir la comprensión del gran desarrollo tecnológico que se ha observado desde mediados del siglo pasado hasta nuestros días. Dada la importancia que la Física representa para cualquier persona y para la sociedad en general, su aprendizaje formal en el bachillerato requiere de: la adquisición de conocimientos y habilidades básicas y ejecutivas, la capacidad práctica en la actividad científico-investigadora, además de actitudes y valores, que en su conjunto posibiliten valorar los beneficios de la ciencia y los inconvenientes del uso irresponsable de los conocimientos científicos. La FÍSICA se ubica en el componente de formación básica del Bachillerato general, se ha dividido en las asignaturas Física I y Física II. Mantiene una relación muy estrecha con otras disciplinas tales como: la Química ya que comparten el estudio de la materia y la energía, las Matemáticas como herramienta principal para poder cuantificar y representar con modelos matemáticos múltiples fenómenos físicos, la Geografía proporcionando fundamentos para el estudio de los fenómenos naturales y la Biología le proporciona un sustento teórico que le sirve para explicar y comprender los fenómenos físicos que se presentan en los seres vivos.

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FÍSICA II

FÍSICA I

MATEMÁTICAS III

BIOLOGÍA I

BIOLOGÍA II

TEMAS SELECTOS DE FÍSICA

GEOGRAFÍA

UBICACIÓN ESQUEMÁTICA DE LA ASIGNATURA ESTRUCTURA DE LA GUÍA Esta guía se encuentra organizada de tal manera que las unidades y los temas siguen una secuencia de contenidos congruentes que mediante el desarrollo de las diversas actividades planteadas, ya sea de lecturas guiadas, investigación, análisis y resolución de problemas así como prácticas experimentales entre otras, faciliten el aprendizaje significativo para la construcción de su propio conocimiento. Las actividades de aprendizaje a desarrollar en cada unidad de esta guía son las siguientes: 1. Actividad Previa: Promueve la recuperación del conocimiento previo (formal e informal). 2. Actividad de indagación: Orienta sobre la forma en la que se busca la Información requerida para comprender el curso, así como el texto de lectura en que te apoyarás. 3. Contenido: Se te proporciona la información de los temas que son parte del programa de Física II. 4. Actividad de análisis y reflexión: Te brinda el apoyo de algunos ejercicios o preguntas para acercarte al conocimiento de cada módulo, utilizando los materiales proporcionados en la guía. 5. Actividad de aplicación del conocimiento: Te facilita una serie de recursos que te permiten resolver problemas, analizar una situación real, etc. Utilizando el conocimiento aprendido. 5


6. Actividad de integración: Integra lo aprendido en cada módulo en forma escrita u oral, en la que expliques lo aprendido con argumentos teórico-prácticos. 7. Actividad de apoyo: Esta actividad será desarrollada cuando el profesor indique que necesitas apoyo para comprender mejor el contenido del curso de acuerdo a los resultados de la actividad de aplicación del conocimiento y de integración. Dado que las características del Sistema de Enseñanza Abierta están basadas en el autoaprendizaje la forma de evaluación será por medio de un examen objetivo, el cual consistirá en cuarenta reactivos, también será necesario asistir al laboratorio a desarrollar las actividades experimentales que aquí se te sugieren para complementar tu evaluación final.

La Educación Abierta en la formación del Sistema de Colegio de Bachilleres El propósito general de la formación en el bachillerato El Proyecto educativo del Colegio de Bachilleres del Estado de Coahuila, tiene como propósito fundamental y prioritario, preparar generaciones de jóvenes que al egresar, posean los conocimientos, las habilidades y las competencias necesarias para ingresar a las Instituciones de Educación Superior que satisfagan sus aspiraciones personales y perfiles profesionales y/o vocacionales. En consecuencia, una exitosa incorporación social, laboral y ética a la sociedad que exigirá de él o de ella, propuestas viables, efectivas e inteligentes tendientes a resolver las problemáticas que seguramente enfrentarán en su etapa futura de vida. Es misión del Colegio de Bachilleres formar ciudadanos competentes para realizar actividades propias de su momento y condición científica, tecnológica, histórica, social, económica, política y filosófica, con un nivel de dominio que les permita movilizar y utilizar, de manera integral y satisfactoria, conocimientos, habilidades, destrezas y actitudes, pertenecientes a las ciencias naturales, las ciencias sociales y a las humanidades. El propósito general del SEA es ofrecer a sus alumnos la alternativa que les permita tanto iniciar, continuar, como concluir estudios de educación media superior para que puedan acceder a estudios de educación superior y/o su incorporación al trabajo productivo. En síntesis, el Bachillerato General es un tipo de educación formal dentro del nivel medio superior que prepara al estudiante para incorporarse de manera eficiente a la vida social, a los estudios superiores y al ámbito productivo en caso de ser necesario. Para ello brinda una educación integral que trasciende la transmisión de conocimientos y hace partícipes activos del proceso educativo a los protagonistas principales: el educando, el profesor y los saberes.

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Características de la educación abierta Estimado alumno, cuando leas este texto, estarás en posibilidades de reconocer la calidad de un material cuidadosamente estructurado. El diseño y presentación de los contenidos que encontrarás en esta Guía Pedagógica, son producto de la gran labor realizada por los Asesores de Contenido del Sistema de Enseñanza Abierta del Colegio de Bachilleres del Estado de Chihuahua. En ella, seguramente observarás temas que, además de interesantes, están debidamente planeados para convertirse en la guía eficaz que mediante su diseño, te darán la sensación que estás escuchando a un (a) maestro (a) y no, que estas frente a un texto escrito. Sin embargo, debes reconocer que este documento, el cual, sin lugar a dudas, utilizarás en innumerables ocasiones, lugares y circunstancias, es un digno ejemplo de organización tutorial. A partir de este momento y hasta que tu esfuerzo rinda frutos, eres participe de un modelo educativo singular que responderá a tus necesidades de formación y cultura: ¡Bienvenido al Sistema de Enseñanza Abierta del Colegio de Bachilleres del Estado de Coahuila! Esta estrategia educativa o modalidad de enseñanza que generalmente conocemos como enseñanza abierta, está caracterizada, principalmente, porque exige del alumno un aprendizaje autodidacta, generalmente, realizado a distancia. ¿Qué significa esto? Que has ingresado a un modelo educativo en donde la presencia del maestro no es el rasgo típico de interacción como en una escuela presencial o tradicional. Ahora, como alumno del SEA en lugar de escuchar y participar en sesiones de trabajo “cara a cara” con los docentes de las diferentes asignaturas, tendrás que familiarizarte, adaptarte e involucrarte activamente en un modo especial de trabajo, cuya estructura y organización te presentará los contenidos de manera que sean aprensibles a distancia. Es decir, las informaciones y los conocimientos relativos al plan de estudios, utilizarán para su construcción diferentes vías y/o canales de comunicación que no requieren una relación de contigüidad presencial alumnomaestro-aula. Entonces, si las relaciones entre maestros y alumnos cambian, es evidente que los roles de los maestros y los tuyos, propios, también cambiarán; surgirán, pues, entre ustedes, nuevas actitudes y nuevos enfoques metodológicos. Luego, encontrarás un curso altamente autoinstructivo y totalmente accesible para ti, alumno, aún sin el apoyo directo de los docentes. Participarás en un modelo pedagógico flexible en donde la actividad educativa estará centrada, principalmente, en tu aprendizaje individual e independiente que, desde luego, estará firmemente sustentado y respaldado en una eficiente organización de apoyo-tutoría. La forma de estudio no guiada y/o controlada directamente por el mentor caracteriza al SEA, sin embargo, estamos seguros, promoverá en tu personalidad: el desarrollo de habilidades para el trabajo independiente y para un esfuerzo autorresponsable. Favorecerá, además, un proceso de aprendizaje más personalizado que garantice una secuencia didáctica, afín a tu ritmo y estilos de aprendizaje. Para concluir este apartado, te preguntamos: ¿Estás listo para el arranque? ¿Dónde estudiar? ¿Cómo estudiar? ¿A qué velocidad aprender?.La respuesta 7


…..No la queremos ahora….El tiempo la dará de acuerdo con las metas que te fijes, los objetivos que te propongas y tus firmes deseos de concluir esta importantísima etapa de tu formación.

Papel del profesor El asesor de contenido desempeña funciones de asesoría de apoyo al aprendizaje de los estudiantes del Sistema de Enseñanza Abierta. El titular de este puesto es responsable de proporcionar al alumnado los conocimientos necesarios de la materia asignada mediante asesorías individuales para el desarrollo y el cumplimiento de los programas. Asimismo, explica, aclara y desarrolla prácticas; simultáneamente, promueve y da seguimiento al avance académico de los estudiantes y contribuye en el logro de los objetivos de cada una de las asignaturas que conforman las diferentes áreas del plan de estudio de la Institución. Para el desempeño eficiente de su labor, el Asesor de Contenido, precisa una planificación cuidadosa para la utilización de recursos necesarios a la metodología flexible del SEA, que no cuenta con la relación “cara a cara” entre profesores y alumnos. Mediante sus acciones, el Asesor de Contenido, potencia el trabajo independiente y por ello, la individualización y personalización del aprendizaje, que se adapta, en la medida de las posibilidades, al ritmo, forma y estilo de cada uno de los estudiantes. A manera de conclusión, la labor primordial del Asesor de Contenido puede resumirse de la siguiente manera: proporcionar orientación accesible y sistemas de apoyo instruccional para el estudiante. Además, es imprescindible señalar que dentro de sus funciones generales y específicas están: llevar un registro de seguimiento de asesorías previa a la evaluación; elaborar los instrumentos de evaluación del aprendizaje requeridos para atender a los estudiantes durante su proceso de estudio, evaluar los resultados del autoaprendizaje por medio de la aplicación de exámenes.

Papel del alumno El estudiante realiza la mayor parte de su aprendizaje por medio de materiales didácticos previamente preparados. En el caso particular del SEA, el material, habitualmente, se presenta como Guías de Estudio, estructuradas en módulos de aprendizaje. Así, el estudiante es el centro del proceso de aprendizaje; es un sujeto activo en busca de su propia formación; aprende sin la presión del grupo, según su estilo y método singular, motivado y guiado por los propios materiales y la orientación del (las) Asesor (as) de Contenido. Mediante la metodología de enseñanza-aprendizaje característica del SEA, el alumno adquiere actitudes, intereses y valores que le facilitan los mecanismos precisos para regirse a sí mismo, lo que le llevará a responsabilizarse en un aprendizaje permanente. Con la guía del profesor o tutor, el estudiante descubrirá, interpretará y analizará sus propios objetivos; con ello, transitará hacia la consecución de aprendizajes independientes y flexibles. El alumno es el responsable exclusivo del ritmo y realización de sus estudios. Es un sujeto protagonista de su propio aprendizaje, gracias al uso sistemático de 8


materiales educativos, reforzado con diferentes medios y formas de comunicación. El alumno de un modelo de enseñanza abierta se involucra en un proyecto personal; transformarse de escuchadores pasivos a activos gestores de su propio proyecto de autoformación. El aprendizaje individual de éste, puede perfectamente desarrollarse fuera de las aulas, en el mismo hogar, etc. En relación con la cantidad de contacto directo con los profesores, éste es determinante por la decisión y necesidad del alumno. Sin embargo, es importante puntualizar que de acuerdo con El Reglamento Interior de Alumnos del Colegio de Bachilleres del Estado de Coahuila, el alumno del SEA deberá acudir cuando menos a una sesión de asesoría por asignatura para tener derecho a examen.

COMPETENCIA GENÉRICAS DEL BACHILLERATO GENERAL Las competencias genéricas son aquellas que todos los bachilleres deben tener la capacidad de desempeñar, y les permitirán a los estudiantes comprender su entorno (local, regional, nacional o internacional) e influir en él, contar con herramientas básicas para continuar aprendiendo a lo largo de la vida, y practicar una convivencia adecuada en sus ámbitos social, profesional, familiar, etc.,. Estas competencias junto con las disciplinares básicas constituyen el Perfil del Egresado del Sistema Nacional de Bachillerato. A continuación se enlistan las competencias genéricas: 1. Se conoce y valora a sí mismo y aborda problemas y retos teniendo en cuenta los objetivos que persigue. 2. Es sensible al arte y participa en la apreciación e interpretación de sus expresiones en distintos géneros. 3. Elige y practica estilos de vida saludables. 4. Escucha, interpreta y emite mensajes pertinentes en distintos contextos mediante la utilización de medios, códigos y herramientas apropiadas. 5. Desarrolla innovaciones y propone soluciones a problemas a partir de métodos establecidos. 6. Sustenta una postura personal sobre temas de interés y relevancia general, considerando otros puntos de vista de manera crítica y reflexiva. 7. Aprende por iniciativa e interés propio a lo largo de la vida. 8. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos. 9. Participa con una conciencia cívica y ética en la vida de su comunidad, región, México y el mundo. 10. Mantiene una actitud respetuosa hacia la interculturalidad y la diversidad de creencias, valores, ideas y prácticas sociales. 11. Contribuye al desarrollo sustentable de manera crítica, con acciones responsables.

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COMPETENCIAS DISCIPLINARES BÁSICAS 1. Establece la interrelación entre la ciencia, la tecnología, la sociedad y el ambiente en contextos históricos y sociales específicos. 2. Fundamenta opiniones sobre los impactos de la ciencia y la tecnología en su vida cotidiana. 3. Identifica problemas, formula preguntas de carácter científico y plantea las hipótesis necesarias para responderlas. 4. Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes. 5. Contrasta los resultados obtenidos en una investigación o experimento con hipótesis previas y comunica sus conclusiones. 6. Valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7. Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 8. Explica el funcionamiento de máquinas de uso común a partir de nociones científicas. 9. Diseña modelos o prototipos para resolver problemas, satisfacer necesidades o demostrar principios científicos. 10. Relaciona las expresiones simbólicas de un fenómeno de la naturaleza y los rasgos observables a simple vista o mediante instrumentos o modelos científicos. 11. Analiza las leyes generales que rigen el funcionamiento del medio físico y valora las acciones humanas de riesgo e impacto ambiental. 12.-Decide sobre el cuidado de su salud a partir del conocimiento de su cuerpo, sus procesos vitales y el entorno al que pertenece. 13. Relaciona los niveles de organización Química, Biológica, Física y Ecológica de los sistemas vivos. 14. Aplica normas de seguridad en el manejo de sustancias, instrumentos y equipo.

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Unidad Unidad Unidad 1 2 3 x x x x

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REPRESENTACIÓN GRÁFICA DE LA MATERIA

FÍSICAII LA ACTIVIDAD CIENTIFICO INVESTIGADORA

LA TEORIA CON LA PRÁCTICA

FENOMENOS NATURALES

HIDRÁULICA

NO PRESENTA CAMBIOS EN LA COMPOSICION DE LA MATERIA

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

CALOR Y LA TEMPERATURA

MECANICA DE FLUIDOS

HIDROSTÁTICA

INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

HIDRODINÁMICA

ENERGÍA ELÉCTRICA LÍQUIDOS EN REPOSO

LÍQUIDOS EN MOVIMIENTO

EL CALOR Y LAS TRANSFORMACIONES DEL ESTADO FÍSICO DE LA MATERIA

CALOR CEDIDO Y ABSORBIDO POR LOS CUERPOS

DILATACIÓN DE LOS CUERPOS

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HOGAR

FÁBRICAS

ESCUELAS

OFICINAS


MÓDULO I: HIDRÁULICA El estudiante resuelve problemas relacionados con la Hidráulica, a partir del conocimiento y uso correcto de sus conceptos y sus modelos matemáticos, aplicados en diversos fenómenos físicos observables en su vida cotidiana; muestra actitudes de interés científico en un ambiente de cooperación, responsabilidad y respeto hacia sus compañeros.

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1.1 HIDROSTÁTICA 1.- ACTIVIDAD PREVIA Instrucción Responde las siguientes preguntas: 1.- ¿Te has fijado qué pasa con los aceites a altas temperaturas y qué pasa con ellos a bajas temperaturas? ¿Puedes explicarlo? 2.- ¿Qué diferencia encuentras cuando tomas atole y cuando tomas agua, cuál fluye más fácilmente por tu boca? Explica por qué. 3.- ¿Por qué cuando sumergimos parcialmente un algodón en agua, éste la absorbe poco a poco hasta quedar completamente mojado? 4.- ¿Por qué cuando pintamos una pared la pintura se queda adherida al muro? 5.- ¿Se te ha quebrado alguna vez un termómetro? ¿Por qué al juntar las gotas derramadas se forma una gran gota? 6.- ¿Por qué si colocas un alfiler en forma horizontal sobre la superficie del agua no se hunde?

2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN Instrucción 1.-Investiga lo que estudia la Hidráulica. 2.- ¿Qué son los fluidos? 3.- ¿Cuáles son las características de los líquidos? 4.- ¿Qué es la tenso actividad? 5.-Investiga cuántas presas hay en tu estado y dónde están localizadas. Las investigaciones deberás dársela a tu asesor para que sean parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO 1.1.1. HIDRÁULICA Es la rama de la Física y la Ingeniería que se encarga del estudio de las propiedades mecánicas de los fluidos, la cual describe el movimiento de los fluidos (gases y líquidos). Al aplicar las leyes que rigen el movimiento de los líquidos y las técnicas desarrolladas para aprovechar las aguas, el hombre ha podido construir dispositivos que funcionen con líquidos, por lo general agua o aceite, llamados máquinas hidráulicas, como por ejemplo el gato y la prensa hidráulica. La hidráulica 13


resuelve problemas como el flujo de fluidos por conductos (tuberías) o canales abiertos y el diseño diseño de presas de embalse, puertos, puertos, bombas y turbinas. Para su estudio la Hidráulica se divide en: Hidrostática: Es la rama de la l a Física que estudia los líquidos en estado de equilibrio (reposo). Hidrodinámica: Es la rama de la Física llamada también dinámica de los fluidos y estudia los fluidos en movimiento.

1.1.2 CARACTERISTICAS DE LOS LIQUIDOS Un líquido está formado por moléculas que están constantemente en movimiento chocando entre ellas millones de veces por segundo. Las moléculas de los líquidos no se mueven tan libremente como las que forman un gas, ni están tan juntas o estructuradas como en un sólido. Los líquidos tienen un volumen definido, pero su forma depende del contorno del recipiente que los contiene. Los líquidos son prácticamente incompresibles. Algunas características de los líquidos son:     

Viscosidad Tensión superficial Cohesión Adherencia Capilaridad

VISCOSIDAD Los líquidos al escurrir encuentran una resistencia la cual es definida como viscosidad o resistencia a fluir, como consecuencia de los efectos combinados de la cohesión y la adherencia. La viscosidad se produce por el efecto del deslizamiento resultante del movimiento de una capa de fluido con respecto a otro, se puede considerar como causada por la fricción interna de las moléculas. Al aumentar la temperatura de un líquido la viscosidad disminuye invariablemente y aumenta al crecer la presión. A mayor viscosidad el líquido fluye más lentamente, por lo contrario a menor viscosidad el líquido fluye más rápidamente. La viscosidad puede medirse tomando el tiempo que tarda un líquido en fluir a través de un tubo delgado, bajo el efecto de la gravedad. En la industria de transformación transformación es muy útil conocer la viscosidad viscosidad de un líquido ya que se puede saber qué tipo de líquido es el más adecuado para ser usado en determinada maquinaria para que ésta funcione en óptimas condiciones. La unidad de viscosidad en el Sistema Internacional es el poiseuille (Ns/m 2 ), en el Sistema CGS es el poise (dina s/cm 2). TENSION SUPERFICIAL En un líquido, cada molécula se desplaza siempre bajo la influencia de sus moléculas vecinas, las moléculas interiores se atraen entre sí casi en la misma magnitud en todas direcciones. Sin embargo en en la superficie del del líquido una molécula no está completamente rodeada por otras y, como resultado, sólo experimenta la atracción de las moléculas que están por abajo y a los lados. Como resultado las moléculas a lo largo de la superficie, experimentan una atracción en 14


una dirección hacia el interior del líquido lo cual provoca que las moléculas de la superficie sean arrastradas al interior, originándose así la tensión superficial y haciendo que la superficie del líquido se comporte como una delgada película elástica e invisible. La tensión superficial es responsable de la resistencia que un líquido presenta a la penetración de sus superficies, de la tendencia a la forma esférica de las gotas de un líquido, del ascenso de los líquidos en tubos capilares y de la flotación de objetos u organismos en la superficie de los líquidos. La tensión superficial del agua es mayor que la de muchos otros líquidos. La tensión superficial pude ser medida utilizando un anillo de platino que se coloca sobre la superficie del líquido. Se mide la fuerza que se requiere para separar el anillo de la superficie del líquido con una balanza de alta precisión. La tensión superficial se representa por la letra griega  y sus unidades son: N/m, dina/cm en los Sistema Internacional y Cegesimal respectivamente. La tensión superficial de los líquidos se se puede reducir disolviendo disolviendo en ellos agentes tensoactivadores, Un ejemplo de tensoactivador es el jabón en polvo el cual provoca que las partículas jabonosas penetren más fácilmente en los tejidos de la ropa.

COHESION Es la fuerza de atracción entre moléculas de una misma sustancia. Por ejemplo el alcohol tiene menor fuerza de cohesión entre sus moléculas que el agua. Por esta razón el alcohol se volatiza más rápidamente. Si depositamos gotas de alcohol y aceite sobre un vidrio se observa que el alcohol se aplasta más que la gota de aceite ya que la fuerza de de cohesión y la tensión tensión superficial del aceite son mayores que en el alcohol. Debido a la fuerza de cohesión dos gotas de un líquido se juntan formando una sola, como es el caso del agua y del mercurio. ADHERENCIA Se define como como adherencia a la fuerza fuerza de atracción entre moléculas de distintas sustancias. La mayoría de las sustancias líquidas se adhieren a las paredes de los cuerpos sólidos. Si en un líquido las fuerzas fuerzas adhesivas son son mayores que las las fuerzas de cohesión, cohesión, la superficie del líquido es atraída por la superficie de un cuerpo sólido. Si las fuerzas de cohesión son mayores que las de adherencia del líquido, éste no quedará adherido a la superficie del sólido, tal es el caso del mercurio, ya que cuando en un recipiente lleno de mercurio es introducida una varilla de vidrio al sacarla se observa que sale seca. CAPILARIDAD Es la formación de un menisco cóncavo (elevación) o formación de un menisco convexo (depresión) de la superficie de un líquido en la zona de contacto con un sólido, por ejemplo, en las paredes de un tubo. La capilaridad depende de las fuerzas creadas por la tensión superficial y por el mojado de las paredes de un tubo. Son ejemplos de capilaridad: cuando el agua es absorbida por una esponja, la ascensión de la cera fundida por el pabilo de una vela, el agua al subir por la tierra. Las plumas fuente y el plumón también están diseñados en base al fenómeno de la capilaridad. 15


1.1.3 DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO 1.- ACTIVIDAD PREVIA Instrucción 1.- ¿Qué tiene más cantidad de materia, 1 m 3 de madera o 1 m 3 de hierro? 2.- ¿Qué pesa más, 1 kg de algodón o 1 kg de plomo? 3.- ¿Qué pesa más, 1 litro de agua o 1 litro de aceite? 4.- Si vacío en un recipiente un litro de agua y un litro de mercurio, ¿cuál líquido quedara en el fondo?, ¿por qué? 5.- ¿Por qué decimos que el corcho es un material ligero y que el hierro e s un material pesado? 6.- ¿Por qué un trozo de madera de 1 cm 3 flota en una alberca y un trozo de hierro de 1 cm 3 se hunde hasta el fondo?

2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN Instrucción 1.- Investiga cómo es posible que un globo aerostático se eleve. 2.- ¿Cuál es la diferencia entre peso específico y densidad? 3.- ¿Qué valor debe tener la densidad densidad de un barco de carga para para que no se hunda en el mar, mayor o menor del agua? ¿Por qué? 4.- Investiga por qué un submarino puede sumergirse en el agua y emerger. 5.- Investiga en qué consiste la densitometría ósea. Las investigaciones deberás deberás dárselas a tu asesor para que que sean parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO DENSIDAD ABSOLUTA Si deseamos identificar una sustancia, debemos encontrar propiedades que la caractericen. Una propiedad que cumple con este requisito es la densidad. Si tienes dos esferas del mismo tamaño, pero una es de vidrio y otra de madera, podrás percibir que la de madera es más pesada que la de vidrio y esto se debe a que la de madera tiene más cantidad de materia que la otra, así pues podemos 16


definir a la densidad como la relación que hay entre la masa de una sustancia con respecto al volumen que ocupa, y la obtenemos dividiendo la masa de la sustancia entre el volumen que ocupa. Su fórmula es: ρ=m V Donde: ρ = densidad m = masa V = volumen Y sus unidades en los diferentes sistemas son: SI CGS kg/m g/cm

TÉCNICO utm./m

Para obtener la densidad tanto de sólidos como de líquidos, basta cuantificar su masa, usando una balanza. El volumen se determina, si es un sólido regular, usando la fórmula correspondiente, si es un sólido irregular podrás obtener su volumen por medio del desplazamiento de agua, fijándote en el nivel de agua de una probeta antes y después de arrojar el sólido adentro. La diferencia de las dos marcas indicará el volumen del sólido, y si es un líquido podrás usar una probeta graduada. En la práctica se utilizan los densímetros para medir la densidad de los líquidos. El densímetro es un dispositivo de vidrio graduado en una escala previamente determinada por el fabricante, hay de diferentes graduaciones según el líquido que se quiera medir. El densímetro se sumerge en el líquido y el nivel que éste alcance indicará el valor en g/cm 3. La relación entre densidad y masa es directamente proporcional, así pues cuando el volumen de dos cuerpos sean iguales, el que tenga mayor masa, tendrá mayor densidad, por el contrario cuando dos cuerpos o sustancias tengan la misma masa el que tenga mayor volumen tendrá menos densidad. (Ver las siguientes figuras)

Aluminio Volumen = 1 m

Plomo Volumen = 1 m

Masa = 2700 kg

Masa = 11300 kg

= 2700 kg 1 m3 3 ρ = 2700 kg /m ρ

= 11300 kg 1 m3 3 ρ = 11300 kg /m ρ

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Una sustancia siempre tendrá la misma densidad aunque su tamaño varíe, así pues un trozo de madera tendrá la misma densidad que una puerta hecha de la misma madera. (Ver las siguientes figuras)

Volumen = 0.001 m

Volumen = 0.072 m

Masa = 0.810 kg

Masa = 58.32 kg

ρ = 58.32 kg = 0.810 kg 0.072 m3 0.001 m3 3 3 ρ = 810 kg /m ρ = 810 kg /m Como el volumen de una sustancia varía con la temperatura, es importante establecer la temperatura junto con la densidad. La densidad del agua a 4 oC es de 1 g/cm 3 pero a 80oC es de 0.971 g/cm3. A 0o C la densidad del aire es aproximadamente de 1.293 g/litro. Se dice que los gases con una densidad menor a este valor son “más ligeros que el aire”. Un globo lleno de helio se elevará con rapidez en el aire, pues la densidad del helio es sólo de 0.178 g/litro. Cuando un objeto sólido es arrojado al agua, flotará o se hundirá según su densidad. Si el objeto es menos denso que el agua flotará, y desplazará una masa de agua igual a la del objeto. Si el objeto es más denso que el agua, se hundirá y desplazará un volumen de agua igual al volumen del objeto. ρ

PESO ESPECÍFICO Al igual que la densidad el saber el peso específico de una sustancia nos ayuda a identificar de que sustancia se trata, su valor se determina dividiendo su peso entre el volumen que ocupa: Pe = W V Donde: Pe= peso específico W= peso V= volumen Y sus unidades en los diferentes sistemas son:

18


SI CGS TÉCNICO N/m dinas/cm Ke/m Como recordarás el peso de un cuerpo no es constante, sino que varía de acuerdo a la gravedad del lugar. Por lo tanto una forma más confiable para sacar peso específico es usando la relación que hay entre densidad y peso específico, ya que la masa es una constante universal, independientemente de la gravedad. Recordando del curso de Física I: W= mg Donde: W= peso m= masa g= gravedad (9.8 m/s 2) Como: Pe= W V Sustituyendo mg en w tendremos: Pe= mg V Como: m=ρ V La nueva fórmula será: Pe= ρg DENSIDADES ABSOLUTAS, PESOS ESPECÍFICOS Y DENSIDADES RELATIVAS DE ALGUNAS SUSTANCIAS A 00C Y 1 ATM Sólidos

Densidad, (kg/m )

Peso Específico (N/m )

Densidad Relativa

Cobre

8.89x10 3

8.71x104

8.89

Vidrio

(2.4-6.0)x103

(2.35-5.88) x104

2.4-6.0

Oro

19.3 x103

18.91 x104

19.3

Plomo

11.3 x103

11.07 x104

11.3

Níquel

8.8 x103

8.62 x104

8.8

Platino

21.4 x103

20.9 x104

21.4

Plata

10.5 x103

10.29 x104

10.5

Tungsteno

19.3 x103

18.91 x104

19.3

Uranio

18.7 x103

18.32 x104

18.7

Madera

(0.25-1.0) x103

(0.24-9.8) x104

0.25-1.0

Cinc

6.9 x103

6.76 x104

6.9

Acero

7.8 x103

7.64 x104

7.8

Aluminio

2.7 x103

2.64 x104

2.7

Hielo

0.92 x103

9.01 x104

0.92

Granito

2.7 x103

2.64 x104

2.7

Concreto

2.3 x103

2.25 x104

2.3

19


Líquidos

Densidad (kg./m )

Peso Específico ( N/m3)

Densidad Relativa

Etanol

0.79 x 10

0.77 x 10

0.79

Éter

0.74 x 10

0.725 x 10

0.74

Glicerina

1.26 x 103

1.23 x 104

1.26

Aceite

(0.8-0.95) x 103

(0.784-0.931) x 104

(0.8-0.95)

Agua (a 4oC)

1.00 x 10

0.98 x 10

1.0

Mercurio

13.6 x 10

13.32 x 10

13.6

Nitrógeno (1960C)

0.81 x 103

0.793 x 104

0.81

Helio (-269 C) 0.125 x 10

0.122 x 10

0.125

Benceno

0.88 x 10

0.86 x 10

0.88

Gasolina

0.680 x 10

0.66 x 10

0.68

Gases Aire Amoniaco Bióxido de Carbono Helio Hidrógeno Oxígeno

Densidad (kg./m )

Peso Específico (N/m3)

Densidad Relativa

1.29 0.77 2.0 0.09 0.090 1.43

12.64 7.54 19.6 0.88 0.882 14.01

1.29X 100.77 X 10-3 2 X 10-3 0.09 X 10-3 0.09 X 10-3 1.43x 10-3

4.- ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXIÓN Instrucción 1.- ¿Qué material es más denso, el oro o el aluminio? 2.- Si vacío dos líquidos de densidades diferentes en un recipiente, ¿cuál líquido quedará en el fondo, el más denso o el menos denso?

20


3.- El hielo flota en aceite vegetal y se hunde en alcohol etílico. ¿Entre qué valores numéricos debe estar la densidad del hielo? 4.- Calcula la densidad de un líquido si 50 cm3, tienen una masa de 78.26 g. Dar el resultado en kg. /m 3 SOLUCION: Datos: Fórmula: Sustituimos los datos: 3 ρ = m ρ= 78.26 g V = 50 cm m= 78.26 g V 50 cm3 p= ? ρ= 1.56 g/cm3 El resultado está en unidades del Sistema CGS por lo que será necesario hacer la conversión a unidades del Sistema Internacional: 1.56 g x 1 kg x 1x10 6cm3= 1560 kg/m 3 cm3 1000 g 1 m3 5.- La densidad del oro es de 19.3x10 3 kg/m3. ¿Cuál es la masa de 50 cm 3 de oro? SOLUCION: Datos: e= 19.3x103 kg /m3 V 50 cm3= 50x10-6m3 m= ? Como el volumen está dado en unidades del Sistema Cegesimal se hace la conversión de unidades al Sistema Internacional de la siguiente manera: 1m3 = 50 x 10-6m3 1x106cm3 Identificamos la fórmula: ρ = m V

50 cm3x

Despejamos masa: m = ρV Sustituimos los datos en la fórmula: m = (19.3x103 kg /m3) (50x10-6m3) m = 965x10 kg 6.- El volumen inicial de agua que contiene una probeta graduada es de 30 ml (30 cm3). Luego de introducir una masa de metal de 18.76 g, el volumen del agua cambió a 35.3 ml (35.3 cm 3). Calcular lo siguiente: a) ¿Cuál es el volumen del metal? Dar el resultado en unidades del Sistema Cegesimal. 21


b) ¿Cuál es la densidad del metal? Dar el resultado en unidades del Sistema Cegesimal. Solución: a) El metal desplaza un volumen de agua igual a su propio volumen. El incremento de volumen en la probeta es el volumen del metal: 35.3 ml = volumen del agua + metal - 30 ml = volumen del agua antes de introducir el metal 5.3 ml (5.3 cm 3) = volumen del metal b) Datos: Fórmula Sustitución 3 ρ = m ρ = 18.76 g V= 5.3 cm m= 18.76 g V 5.3 cm3 p= ? ρ = 3.53 g/cm3 7.- Calcular el peso específico de la plata cuya densidad es de 10500 kg /m 3. Solución: Datos: ρ = 10500 kg /m3 g = 9.8 m/s2 Pe = ? Como el dato que se tiene es densidad, la fórmula que se utiliza es: Pe= ρg Se sustituyen los datos en la fórmula: Pe= (10500 kg/m 3) (9.81 m/s2) Pe= 10300 N/m 3 8.- Calcula lo siguiente: a) ¿Qué volumen de agua tiene la misma masa que 100 cm 3 de plomo? b) ¿Cuál es el peso específico del plomo? a) Datos: Volumen del plomo= 100 cm 3 ρ del plomo (tomada de la tabla de densidades)= 11.3 x 10 3 kg /m3 Como el dato del volumen está en unidades del sistema cegesimal las convertiremos al Sistema Internacional, ya que las unidades de densidad están dadas en éste sistema. 100 cm3

x 1m3 1 x 106 cm3

=0.0001 m3

22


Una vez que las unidades de los datos están en el mismo sistema métrico, proseguimos a determinar la masa del plomo, despejando la masa de la fórmula de densidad: Formula ρ= m V Despejamos masa y nos queda: Despeje m= ρV Sustituimos los datos en la fórmula y nos queda: Sustitución m = (11.3 x 103 kg/m3)(0.0001 m3) m = 1.13 kg Ahora calculamos el volumen de agua que ocupa una masa de 1.13 kg de agua: mH2O= (Masa de agua) (igual a la masa de plomo) = 1.13 kg ρ H2O = 1 x10 3 kg /m3

De la fórmula de densidad se despeja el volumen y nos queda: V = m ρ

Ahora sustituimos los datos en la fórmula y nos queda: V = 1.13 kg 1 x103 kg /m3

V = 0.00113 m3 El resultado se lee: Un volumen de 0.00113 m 3 de agua tiene la misma masa que 100 cm3 de plomo. b) Datos: ρ del plomo = 11.3 x 10 3 kg /m3

g (gravedad) = 9.8 m/s 2 Perb = ?

La fórmula de Peso específico es:

Pe= ρg Se sustituyen los datos en la fórmula y nos queda: 23


Pe = (11.3 x 103 kg /m3) ( 9.8 m/s2)

Pe = 110740 N/m3 9.- Un matraz de 200 ml (200 cm 3) está lleno de un líquido desconocido. Una balanza indica que el líquido tiene una masa de 176 g. a) ¿Cuál es la densidad del líquido? b) Mencione qué es ese líquido. Datos: V= 200 ml= 200 cm 3 m= 176 g e= ? La fórmula a utilizar es:

ρ=m V Ahora se sustituyen los datos en la fórmula y nos queda: Sustitución ρ = 176 g 200 cm3 ρ = 0.88 g /cm3

Convertimos la densidad en unidades del Sistema Internacional, ya que las tablas de densidades están en ese sistema, y nos queda: 0.88 g x 1 kg x 1 x 106 cm3 = 880 kg/m3 cm3 1000 g 1 m3 b) Ahora buscamos en la tabla de densidades y encontramos que este dato de densidad corresponde al benceno. La sustancia que está en el matraz es benceno. 5.- ACTIVIDAD DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO 1.- Ordena las densidades de las siguientes sustancias de mayor a menor: azúcar, sal, plomo y aluminio. 2.- Se tienen tres cubos con las siguientes características: No. cubo No. 1 No. 2 No.3

Masa (kg) 5.366 kg 1.728 kg 9.112 kg

Volumen (m ) 0.003375 m3 0.003375 m 0.003375 m 3

Indica de qué material están hechos cada uno de los cubos.

24

material


3.- Al duplicar una esfera de vidrio, ¿cambia su densidad? Explica por qué. 4.- La densidad de la plata es de 10.5 x10 3 kg /m3, si cortas a la mitad una barra de plata de 20 kg, ¿qué densidad tiene cada parte? Explica por qué. 5.- En un frasco transparente se mezclan cantidades iguales de agua, glicerina, aceite vegetal y jarabe de maíz. ¿En qué posición quedan acomodados iniciando por el fondo del frasco? RESUELVE LOS SIGUIENTES PROBLEMAS: 1.- ¿Cuál es la masa de 12 cm 3 de glicerina, si su densidad absoluta es de 1.2 g/cm3? 2.- Calcula la densidad absoluta de la gasolina conociendo que 51 g de dicha

sustancia ocupa un volumen de 75 cm 3.

3.- Si 0.5 kg de alcohol etílico ocupan un volumen de 0.000633 m 3, calcular: a) ¿Cuál es su densidad absoluta? b) ¿Cuál es su peso específico?

4.- ¿Cuál es el volumen en m 3 y en litros de 300 N de aceite de oliva, cuyo peso específico es de 9016 N/m 3?

5.- Un cubo de aluminio sólido tiene 2 cm por lado; la densidad del aluminio es de 2700 kg/m3. Determine la masa del cubo.

6.- ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN 1.- ¿Qué es la densidad? 2.- ¿Cómo puedes determinar el valor de la densidad de una sustancia? Explica. 3.- ¿Cómo podrías modificar la densidad de un cuerpo? Explica. 4.- ¿La densidad depende del material seleccionado? Explica. 5.- ¿Qué es más denso, un anillo de oro o una corona de oro? ¿Por qué?

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1.1.4 PRESIÓN, PRESIÓN HIDROSTÁTICA, PRESIÓN ATMOSFÉRICA, PRESIÓN MANOMÉTRICA Y PRESIÓN ABSOLUTA 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- Si dos personas tienen el mismo peso, pero una calza del no. 3 y la otra del no. 6 al caminar sobre la arena, ¿cuál dejará una huella más profunda?, ¿por qué? 2.-Si te subes a un brinca brinca, ¿te hundes igual cuando te acuestas, que cuando estás de pie?, ¿por qué? 3.- Si una persona padece de presión alta, ¿Dónde es recomendable que viva al nivel del mar o mal nivel de la ciudad de Coahuila? ¿Por qué? 4.-Si tratas de cortar un trozo de carne cruda primero con un cuchillo sin filo, después con el mismo cuchillo pero afilado, ¿Qué diferencia encuentras? ¿En cuál caso fue más fácil hacer el corte? ¿Por qué crees? 5.- ¿Te dolería igual si una persona te da un pisotón con un zapato deportivo o si esa misma persona te da un pisotón con un zapato de tacón? 6.- ¿Hay la misma presión en el fondo de la alberca de un metro de profundidad que en el fondo de un barril de un metro de profundidad, ambos llenos de agua? ¿Por qué?

7.- ¿Dónde es mayor la presión, en el fondo de un recipiente de 30 cm lleno de mercurio o en el fondo de un recipiente exactamente igual pero lleno de agua? ¿Por qué?

2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN 1.- ¿Qué es la presión? 2.- ¿Qué relación existe entre área y presión? 3.- ¿Qué relación existe entre fuerza y presión? 4.- Investiga cuál es la presión atmosférica en la ciudad donde vives. 5.- Investiga cual es la presión atmosférica al nivel del mar, y compárala con la presión atmosférica de tu ciudad.

26


6.- Investiga por qué es necesario presurizar las cabinas de los aviones cuando están en vuelo. 7.- ¿Qué es la presión hidrostática? 8.- ¿El área de la base de un contenedor influye en el valor de la presión hidrostática? Las investigaciones deberás dárselas a tu asesor para que sean parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO PRESIÓN Con frecuencia utilizamos la palabra presión para externar un sentimiento, por ejemplo decimos “Me siento muy presion ado”, en realidad queremos decir que nos sentimos forzados a comportarnos de cierta manera. Entre más presionados nos sentimos, menor es el espacio que sentimos tener. En Física, la presión se refiere a la fuerza y al tamaño del área donde se aplica esta fuerza. Para entender mejor la definición de presión veamos el siguiente ejemplo: Supongamos que una persona está parada sobre una pista de nieve, esta persona ejerce una fuerza sobre la nieve igual a su peso. La presión ejercida es igual al peso dividido entre el área que ocupan sus pies. Si ahora la misma persona usa un par de esquíes, seguirá ejerciendo sobre la pista de nieve la misma fuerza igual a su peso, porque su peso no se ha modificado, pero esta vez el área es mucho mayor ya que el par de esquíes ocupan un mayor espacio que el par de pies. Como la presión sigue siendo el peso dividido entre el área, la presión será menor cuando la persona tenga puestos los esquíes. Matemáticamente la presión se expresa:

P=F A Donde: P= presión F= valor de la fuerza perpendicular a la superficie A= área o superficie sobre la que actúa la fuerza Y sus unidades en los diferentes sistemas son: MAGNITUD SI CGS 2 PRESIÓN N/m = Pa dina/cm2 FUERZA N dina ÁREA m cm

TECNICO Kp/m2(Kp/m2) Kp (Kp) m

De la expresión matemática de presión, podemos concluir que a mayor fuerza aplicada mayor será la presión para una misma área, y viceversa, a menor fuerza aplicada menor será la presión si el área no se modifica. 27


Cuando se aplica una misma fuerza, pero el área aumenta, la presión disminuye inversamente proporcional al incremento del área, es decir si el área aumenta al doble, el valor de la presión disminuye a la mitad. Por lo tanto la presión es directamente proporcional a la fuerza recibida e inversamente proporcional al área sobre la que actúa la fuerza. En el siguiente ejemplo tenemos un ladrillo colocado en dos diferentes posiciones, el ladrillo tiene un peso de 19.6 N, veamos cual es el valor de la presión en cada caso:

0.06 m

0.03 m

0.01 m 0.03 m

0.06 m

Posición A Posición A P=F A Peso = Fuerza = 19.6 N A = 0.03 m x 0.01m = 0.0003 m2

Posición B

Fórmula A = b x h

P=? P=F A P = 19.6 N 0.0003 m2 P = 65,333.33 N/m 2 Posición B P=F A

28

0.01 m


Peso = Fuerza = 19.6 N A = 0.06 m x 0.01m = 0.0006 m2 P=? P=F A P = 19.6 N 0.0006 m2 P = 32,666.66 N/m 2

PRESIÓN HIDROSTÁTICA Cuando se ejerce presión sobre un sólido, esté puede deformarse, en este caso la fuerza se aplica sobre una superficie determinada. En los líquidos, la presión se transmite y distribuye en todas direcciones. La presión hidrostática es aquella que origina todo líquido sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo contiene. La fuerza que ejerce un líquido sobre las paredes del recipiente que lo contiene siempre actúa en forma perpendicular a esas paredes. Veamos la siguiente figura:

Si se perforan agujeros a los lados y al fondo de la tina llena de agua, se demuestra que la fuerza ejercida por el agua es en cualquier lugar perpendicular a la superficie de la tina. La presión que ejerce un líquido sobre el fondo de un recipiente es proporcional a la densidad del líquido y a la altura que alcanza el líquido en el recipiente. A mayor altura, mayor presión. No importa la forma que tenga el recipiente, la presión en el fondo del recipiente depende únicamente de la densidad del líquido y de la altura del líquido dentro del recipiente.

La presión hidrostática en cualquier punto puede calcularse: multiplicando el peso específico del líquido por la altura que hay desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado. Otra forma es multiplicando la densidad absoluta por el valor

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de la gravedad y éstos a la vez multiplicados por la altura que hay desde la superficie libre del líquido hasta el punto considerado.

Ph = Peh o bien

Ph = ρgh

Donde: Ph= presión hidrostática ρ = densidad del líquido Pe = peso específico del líquido g= valor de la aceleración de la gravedad, igual a 9.8 m/s 2 h= altura de la superficie libre al punto donde se desea determinar la presión hidrostática Las magnitudes utilizadas en los diferentes sistemas son: MAGNITUD PRESIÓN HIDROSTÁICA (Ph) DENSIDAD ABSOLUTA (ρ) PESO ESPECÍFICO (Pe) ALTURA (h)

SI N/m = pa

CGS dina/cm

TECNICO kp/m (kp/m )

kg/m

g/cm

utm./m

N/m

dinas/cm

kp/m

M

cm

m

Veamos el siguiente dibujo, calculemos la presión hidrostática en el fondo de las 3 tinas llenas de agua:

h=0.7 m

Ph= ρgh Ph= (1000 kg/m3) (9.8 m/s2) (0.7 m) Ph= 6860 N/m2

h=0.7 m

h=0.4 m

Ph= ρgh Ph= (1000 kg/m3) (9.8 m/s2) (0.7 m) Ph= 6860 N/m2

Ph= ρgh Ph= (1000 kg/m3)(9.8 m/s2) (0.4 m) Ph= 3920 N/m2

Con el ejemplo anterior podemos concluir que la presión ejercida en cualquier punto de un contenedor no depende de la forma de éste, sino únicamente de la densidad y de la altura que hay desde el fondo a la superficie del líquido o el punto a considerar. A esto se le conoce como La Paradoja Hidrostática de Stevin:

“La Presión Hidrostática es independiente del área o de la forma del recipiente” (Stevin)

30


PRESIÓN ATMOSFÉRICA El aire de la atmósfera ocupa un volumen, y como todo fluido, ejerce presión sobre el área de las superficies con las que tiene contacto. Todos los seres vivos sobre la tierra estamos sumergidos en “un mar de aire” y las partículas de éste chocan constantemente contra nuestros cuerpos ejerciendo presión, a esta presión se le llama presión atmosférica. A nivel del mar tiene su máximo valor y equivale a una atmósfera (atm). 1

atm = 760 mm de Hg

1 atm = 1.013x105 N/m2 = 1.013x10 5 Pa Otras equivalencias de presión atmosférica son: 1 mm de Hg =

133.2 N/m2 = 133.2 Pa

1 cm de Hg =

1332 N/m2 = 13320 Pa

Como en los casos de los líquidos, la presión atmosférica se modifica con la altura; a mayor altura, por ejemplo en una montaña, la presión atmosférica es menor que a nivel del mar. ¿Alguna vez has viajado a la playa o a una ciudad sobre el nivel del mar? Posiblemente hayas sentido que tus oídos se tapan o quizás te hayan dolido un poco, esto se debe a que la presión atmosférica cambia con la altura de cada lugar.

EL BARÓMETRO DE MERCURIO El barómetro es un instrumento usado para medir experimentalmente la presión atmosférica. Este fenómeno fue descubierto por Evangelista Torricelli (1608-1647), quien inventó un tubo llamado “Tubo de Torricelli” ó barómetro. Su barómetro consistía en un tubo de vidrio lleno de mercurio cerrado por uno de sus extremos e invertido sobre un recipiente lleno de mercurio. Al sumergir el extremo abierto en el recipiente de mercurio, el mercurio del tubo descendía hasta alcanzar cierto nivel dentro del tubo, el nivel alcanzado tenía una altura de 76 cm sobre la superficie libre del mercurio. La fuerza que equilibra e impide el descenso de la columna de mercurio en el tubo, es la que ejerce la presión atmosférica sobre la superficie libre de mercurio, y es la misma que recibe el tubo de vidrio por su extremo abierto. Así la altura de la columna de mercurio podía dar una medida de la presión atmosférica del lugar donde se colocaba.

31


BARÓMETRO DE TORRICELLI

Blaise Pascal supo de los experimentos de Torricelli y decidió constatar su efectividad; primero probó el barómetro en lo más alto del cerro Puy Dome, para después colocarlo en el lugar más bajo de la ciudad. Encontró que en el punto más alto, el nivel de la columna de mercurio era menor que en el punto más bajo. Esto indicaba que en el primero había una menor presión ejercida por el aire.

PRESIÓN MANOMÉTRICA Y PRESIÓN ABSOLUTA Un líquido dentro de un recipiente abierto, además de la presión originada por su peso, soporta la presión atmosférica. En un líquido encerrado en un recipiente, además de la presión atmosférica recibe otra presión llamada presión manométrica, esta presión es la que soporta el fluido encerrado en un recipiente. La presión absoluta que soporta el fluido encerrado es igual a la suma de las presiones manométrica y atmosférica. Presión absoluta = Presión manométrica + Presión atmosférica MANÓMETRO Los manómetros son instrumentos que miden la presión manométrica. La presión manométrica es igual a la diferencia entre la presión absoluta del interior del recipiente y la presión atmosférica: Presión manométrica = Presión absoluta- Presión atmosférica MANÓMETRO DE BOURDON Este manómetro funciona sin líquido; está constituido por un tubito elástico, en forma de espiral, cerrado por un extremo y por el otro recibe la presión que se desea medir, ésta distiende el tubito y su deformación elástica es transmitida a una aguja que gira sobre una circunferencia graduada.

32


MANÓMETRO DE TUBO ABIERTO Este manómetro consiste en un tubo en forma de U que contiene un líquido, que generalmente es mercurio. Cuando ambos extremos del tubo están abiertos, el mercurio busca su propio nivel, ya que se ejerce una atmósfera de presión en cada uno de los extremos abiertos. Cuando uno de los extremos se conecta al recipiente que contiene el líquido o gas (puede ser un tanque de gas, el neumático de algún vehículo), el mercurio se eleva en el tubo abierto hasta que las presiones se igualan. La diferencia entre los dos niveles de mercurio es una medida de la presión manométrica: la diferencia entre la presión absoluta del líquido dentro del recipiente cerrado y la presión atmosférica en el extremo abierto.

4.- ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXIÓN 1.-Un adolescente tiene una masa de 50 kg. Si la superficie sobre la que está parado es de 0.05 m 2, la presión que ejerce sobre la superficie es de 1000 kg /m 2; si se calza unos patines cuyas cuchillas ocupan una superficie igual a 0.005 m 2, ¿la presión sobre la superficie será mayor o menor?, ¿por qué? 2.- ¿Cómo cambia la presión conforme se asciende sobre la superficie terrestre?

3.- ¿Cómo cambia la presión a medida de que se desciende en el mar? 4.- ¿Por qué crees que los tinacos de agua en las casa se colocan comúnmente en el techo? 5.- Investiga cuál es el lugar con mayor altitud en el mundo y cuál es su presión atmosférica.

33


6.- En dos vasos de capacidades diferentes y bases iguales se agrega agua hasta el mismo nivel. ¿En cuál de los dos vasos es mayor la presión que el agua ejerce sobre el fondo? Explica.

7.- En un recipiente lleno de agua, ¿dónde será mayor la presión hidrostática, en la superficie o en el fondo del recipiente?

8.- En una casa hay un tinaco de 1 metro de ancho por 1 metro de largo, por 1 metro de profundidad. Para aumentar la presión en las llaves de agua, el plomero sugirió que en el mismo lugar se colocara otro tinaco de mayor capacidad, y sugirió uno con las siguientes dimensiones: 2 metros de ancho por 2 metros de largo por 1 metro de profundidad. ¿Estás de acuerdo con la sugerencia del plomero? ¿Por qué?

9.- Una persona de 75 kg se para sobre un banco cuya área es de 450 cm 2 . ¿Qué presión ejerce la persona sobre el banco?

Datos:

Fórmula:

resultado:

P=? m = 75 kg A = 450 cm2 = 4.5 x 10-2 m2 F=? Tenemos que convertir los centímetros cuadrados a metros cuadrados para que todos los datos estén en el si Sistema Internacional



pP

Sustitución y

P  

F

W = (75 kg)(9.8 m/s2)

A

W = 735 N

Debemos recordar que la persona ejerce una fuerza igual a su peso, por lo tanto F = W

P= 735 N 4.5 x10-2m2

F = W = mg P = 16333.33 N/m2 o Pa

Conversión: 1m2 450cm x  4.5 x10 2 m 2 2 10000cm 2

10.- Sobre una madera de 0.75 m2 de superficie descansa una maceta, ejerciendo una presión de 58 kp/m2. Determinar el peso de la maceta. 34


Datos:

Fórmula:

A = 0.75m2 P = 58 kp/m2 W =? 

Debemos recordar que el peso de la maceta es igual a la fuerza que ejerce sobre la superficie. W=F

Sustitución y resultado:

Por lo tanto de la fórmula: F = (58 kp/m 2)(0.75m2)

P=F A

F= 43.5 kp

Despejamos F: F = PA

11.- Calcular el área sobre la cual debe aplicarse una fuerza de 150 N para que exista una presión de 2000 N/m 2.

Datos:

Fórmula:


F= 150 N

P=F A Se despeja el área:

A = 150 N

P= 2000 N/m2 A= ?

2000 N/m2

A = 0.075 m2

A= F P 12.- Calcular la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 8 m de profundidad, si la densidad del agua es de 1000 kg /m 3 .

Datos:

Fórmula:

Ph   gh

h = 8m

Sustitución y resultado:   1000 kg m 3

g = 9.8 m/s2







Ph  1000 kg m 3 9.8 m s 2 8m

Ph  78400 N m 2

Ph = ? 13.- Calcular la presión hidrostática en los puntos A y B del siguiente contenedor de agua el cual tiene una profundidad de 5 m. Fórmula: Ph   gh Datos: Sustitución y resultado: 5m

    1000 kg m 9.8 m s 4.5m  44100 N m

Ph A  1000 kg m3 9.8 m s 2 2m  19600 N m 2 Ph B

35

3

2

2


14.- Calcular la profundidad a la que se encuentra sumergido un submarino en el mar, cuando soporta una presión hidrostática de 8 X 10 6 N/m2. Si la densidad del agua del mar es de 1020 kg /m3.

Datos:

Fórmula:

Ph   gh

Ph = 8 x 106 N/m2  = 100 kg /m

despejando altura:

h

Ph

 g

3

g = 9.8 m/s2

Sustitución y resultado: h 

h = ?

8 x106 N m 2

1020 kg m 9.8 m s  3

2

h  800.32m 15.- Para medir la presión manométrica dentro de un cilindro de gas, se utilizó un manómetro de tubo abierto. Al medir la diferencia entre los dos niveles de mercurio se encontró un valor de 5 cm de Hg. Determinar la presión absoluta dentro del cilindro sabiendo que la presión atmosférica es de 1 atm, determinar la presión absoluta dentro del cilindro en las siguientes unidades: a) N/m2 b)

cm de Hg

c)

mm de Hg

Primero calcularemos la Presión manométrica con la diferencia de altura en los niveles de mercurio: Pman= 5 cm de Hg = 50 mm de Hg Ahora convertimos los mm de Hg a N/m2, utilizando la equivalencia: 1 mm de Hg = 133.2 N/m2 Quedando: 50mm de Hg = 6660 N/m 2 Ahora considerando la presión atmosférica de 1 atm. Calcularemos la presión absoluta. Utilizamos la equivalencia de la P atm a N/m2

P ab s  P atm  P man P abs

 1.013x10

5

N m 2

 6660 N

m2

P ab s  107960 N m 2

36

1 atm =

1.013 x10

5

N m 2


Convertimos a cm de Hg

81.05 cm de Hg Convertimos a mm de Hg

810.51 mm de Hg

5.- ACTIVIDAD DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO Resuelve los siguientes problemas: 1.- Calcula la fuerza que debe aplicarse sobre un área de 0.03 m2 para que exista una presión de 420 N/m 2. 2.- Sobre un líquido encerrado en un recipiente se aplica una fuerza de 60 N mediante un pistón que tiene una área de 0.01 m 2. ¿Cuál es el valor de la presión? 3.- Calcule la presión hidrostática en el fondo de una alberca de 5 m de profundidad. 4.- Un científico estudia la flora y la fauna del mar a 1600 m de profundidad por medio de una lente circular de 15 cm de diámetro. ¿Cuál es la presión a la que se sujeta dicha lente a la profundidad antes mencionada? 5.- Una cisterna rectangular que tiene 5 m de ancho y 8 m de largo contiene agua con profundidad de 4 m. ¿Cuál es la presión y la fuerza total en el fondo del recipiente? 6.- La sección recta de un pistón de una bomba es de 35 cm 2. Hallar la fuerza y la presión que se debe utilizar para elevar aceite a 25 m de altura. La densidad del aceite es 0.8x10 3 kg /m3. 7.- Determine la presión absoluta al nivel del mar de una llanta que al ser medida su presión manométrica es de 960 mm Hg. 8.- Determine la presión manométrica dentro de un cilindro con gas al nivel del mar, sabiendo que la presión absoluta es de 1270 Pa. 37


5.-ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN 1.- ¿Cuál es la unidad que se utiliza para medir la presión de un fl uido? 2.- En cuál caso se ejerce mayor presión sobre la superficie: un elefante parado en cuatro patas o un elefante parado en una sola pata. 3.- ¿Dónde es mayor la presión atmosférica: al nivel del mar o en la Sierra Tarahumara?. 4.- La presión producida en el fondo de un recipiente con líquido depende sólo de: 5.- ¿Cómo se llama el aparato con que se mide la presión atmosférica? 6.- ¿Cómo se llama el aparato que mide la presión de un fluido encerrado en un recipiente? 7.- ¿Quién inventó el barómetro de mercurio? 8.- ¿Cómo se obtiene la presión absoluta de un líquido encerrado en un recipiente?

1.1.5 PRICIPIO DE PASCAL 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- Si llenas una jeringa con agua y sellas el orificio de salida, ¿qué sucede al tratar de empujar el émbolo? Explica.

2.- Si a la misma jeringa le haces perforaciones: ¿Qué sucede con los chorros de agua? ¿Salen al mismo tiempo? ¿Alcanzan la misma altura?

3.- ¿Por qué al sumergirte en una bañera llena de agua, el agua se derrama?

4.- ¿Por qué al sumergirte en una alberca aparentemente pesas menos?

38


2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN 1.- ¿Cómo funciona una prensa hidráulica? 2.- ¿Cómo es posible que podamos detener un carro con sólo presionar el pedal del freno? 3.- Investiga quién fue Blaise Pascal y las aportaciones que hizo a la hidrostática. 4.- Investiga quién fue Arquímedes y las aportaciones que hizo a la hidrostática. 5.- ¿En qué consiste el principio de Arquímedes? 6.- ¿Por qué flotan los barcos? Las investigaciones deberás dárselas a tu asesor para que sean parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO PRINCIPIO DE PASCAL Una característica de los líquidos es que son incompresibles, lo cual hace que en ellos se transmitan presiones. Un líquido contenido en un recipiente produce una presión hidrostática debido a su peso, si el líquido se encierra herméticamente en un recipiente puede aplicársele otra presión, utilizando un tapón que aplica una fuerza hacia abajo (llamado también émbolo), dicha presión se transmite íntegramente a todos los puntos del líquido. Blaise Pascal (1623-1662) estudió este fenómeno y enunció el siguiente principio que lleva su nombre: “Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contie ne”

39


APLICACIONES DEL PRINCIPIO DE PASCAL La prensa hidráulica constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal y también un dispositivo que permite entender mejor su significado. Este dispositivo permite levantar grandes pesos ejerciendo fuerzas muy pequeñas, veamos como lo hace:

El recipiente lleno de líquido tiene dos cuellos de diferente área, cerrados con tapones ajustados y capaces de resbalar libremente dentro de los tubos, llamados pistones. Si se ejerce una fuerza (F1) sobre el pistón pequeño, la presión ejercida se transmite, tal como lo afirmó Pascal, a todos los puntos del líquido dentro del recipiente y produce fuerzas perpendiculares dentro del recipiente. En particular, la porción de pared representada por el pistón grande (A2) siente una fuerza (F2) de manera que mientras el pistón chico baja, el grande sube. Para que la presión de los pistones sea la misma (porque la presión interna es la misma para todos los puntos), la fuerza debe ser diferente. Como: Presión 1 = Presión 2 Entonces:

F1 = F2 A1 A2 De donde: F1 = valor de la fuerza obtenida en el émbolo menor, se m ide en newton (N) A1= área en el pistón menor, se mide en metros cuadrados (m 2) F2 = valor de la fuerza obtenida en el émbolo mayor, se mide en newton (N) A2= área en el pistón mayor, se mide en metros cuadrados (m 2) Si por ejemplo, la superficie del pistón grande es el triple de la del chico, entonces el valor de la fuerza obtenida en él será el triple de la fuerza ejercida en el pequeño. El principio de Pascal fundamenta el funcionamiento de las llamadas máquinas hidráulicas: a la prensa: utilizada en la industria para estampar metales, en las llanteras para cambiar neumáticos, en las sillas de los dentistas y de las estéticas para ajustar la altura al sentarse una persona; El gato hidráulico: se usa para levantar un carro y cambiar un neumático; El freno de un vehículo: que al pisar el pedal el cilindro maestro transmite la presión recibida a los cilindros de cada rueda, mismos que abren las balatas para detener

40


el giro de los neumáticos. El ascensor y la grúa, entre otras. Ejemplos: Otra aplicación de la prensa hidráulica

1.1.6 PRICIPIO DE ARQUÍMEDES PRICIPIO DE ARQUÍMEDES Aproximadamente 250 años antes de nuestra era el matemático griego Arquímedes (287-212 A.N.E.) observó mientras se estaba bañando en una tina, que podía levantar las piernas fácilmente cuando se encontraban bajo la superficie del agua. Arquímedes descubrió que el cuerpo se tornaba más ligero debido a una fuerza de empuje (vertical y para arriba) ejercida sobre el cuerpo por el líquido, de manera de que el peso del cuerpo aparentaba ser más liviano. A la fuerza que ejerce el líquido sobre el cuerpo se le llama empuje. El principio de Arquímedes se enuncia de la siguiente forma:

“Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado”. Si se coloca un objeto que flote en una vasija con agua que tenga un tubo para desaguar, y si se recolecta el agua desplazada por el objeto, se puede comprobar que el peso de ella es igual al del objeto introducido.

CONDICIONES PARA QUE UN CUERPO FLOTE Cuando un cuerpo se encuentra sumergido en un líquido, todos los puntos de su superficie reciben una presión hidrostática. Las presiones ejercidas sobre las caras laterales opuestas del cuerpo se neutralizan mutuamente; sin embargo está sujeto a otras dos fuerzas opuestas: su peso que lo empuja hacia abajo y el empuje del líquido que lo impulsa hacia arriba. De acuerdo con la magnitud de estas dos fuerzas tendremos los siguientes casos: a) El objeto se va hundiendo desde que se puso en contacto con el líquido, en este caso la intensidad del empuje es menor a la del peso del objeto. E

P E <

b) El objeto permanece estático, pero por debajo de la superficie del líquido. En este caso la intensidad del empuje es igual a la del peso del objeto. E

P E

41


c) El objeto va emergiendo desde que se colocó en lo más profundo. En este caso la intensidad del empuje es mayor a la del peso del objeto. E

P

E > P

El empuje que recibe un cuerpo sumergido en un líquido se determina multiplicando el peso específico del líquido por el volumen desalojado de este y se expresa:

E= PeV Donde: E= empuje y se mide en newtons (N) Pe= peso específico del líquido y se mide en (N/m 3) V= volumen desalojado por el cuerpo y se mide en metros cúbicos (m 3) También se puede expresar:

E =ρgV Donde: E= empuje y se mide en newtons (N) ρ = densidad absoluta del líquido y se mide en (Kg /m 3) g= valor de la gravedad (9.8 m/s 2) V= volumen desalojado por el cuerpo y se mide en metros cúbicos (m 3) Cuando un cuerpo se encuentra sumergido en un líquido sufre una pérdida aparente de peso, debido a esto tú puedes levantar personas dentro de una alberca que difícilmente levantarías fuera de ella. Para calcular el peso aparente dentro del agua de cualquier cuerpo se usa la siguiente fórmula: W aparentes = Peso aparente W real = Peso real W aparente = W real – Empuje E = Empuje Los objetos flotan porque el empuje que reciben del líquido es mayor que el peso del objeto, esto explica porque los barcos pueden flotar y lo podemos demostrar fácilmente con un balín de acero, si colocamos el balín dentro de un recipiente con agua se hundirá, en cambio si el mismo balín lo colocamos sobre un recipiente de plástico no se hundirá, esto se debe a que el peso del balín lo distribuimos en un volumen mayor, por lo tanto habrá un mayor desplazamiento de agua y el empuje será mayor. 42


4.- ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXIÓN 1.- Si se tienen dos botellas de plástico iguales que están completamente llenas de arena y limaduras de hierro, ¿en cuál de las dos botellas será mayor el empuje? Explica por qué.

2.- Se tienen tres botellas de plástico transparente con distintas cantidades de arena: Una está completamente llena, la segunda está llena a la mitad y la tercera está a una cuarta parte llena. Si se colocan las botellas dentro de un recipiente lleno de agua, ¿cómo se ubicarán las alturas de las botellas sobre el nivel del agua?

3.- ¿Qué sucede si haces una pequeña esfera de plastilina y la colocas dentro de un recipiente de agua?

4.- ¿Qué sucede si con la esfera de plastilina haces una canoa y la colocas sobre el mismo recipiente? Explica por qué. 5.- Para elevar un automóvil se empleó un gato hidráulico, cuyas áreas menor y mayor son respectivamente de 4 cm 2 y 400 cm 2, si el automóvil pesa 10000 N, ¿qué fuerza fue necesaria aplicar al émbolo pequeño para que el automóvil se elevara? Datos: Fórmula: Sustitución y resultado: 2 A1 = 4 cm F1 = F2 F1 = ¿? A1 A2 En este problema no es necesario convertir los 2 A2 = 400 cm Despejamos F1 cm2 a m2, pues al hacer la como W =F entonces: operación las unidades se F2 = 10000 N F1 = (F2)(A1) eliminan: (A2) F1 = (10000 N)(4 cm 2) (400 cm2) F1 = 100 N

43


6.- Calcular el diámetro del émbolo mayor de una prensa hidráulica, si se sabe que si se ejerce una fuerza de 35 N sobre el émbolo menor cuyo diámetro es de 15 cm, se incrementa a 800 N en el émbolo mayor.

Datos:

Fórmula:

Sustitución:

Diámetro() del émbolo menor 15cm= 0.15 m Calculamos el área1 correspondiente al émbolo menor:

F1 = F2 A1 A2

A2= (800 N)(1.77x10-2 m2) 35 N A2 = 0.4046 m2

Primero despejamos A 2 de la fórmula:

A1=π2 = π(0.15)2 =1.77x 10-2m2 4 4 F1= 35 N F2= 800 N 2= ? A2= ? AF= ?

A2 = (F2)(A1) (F1) Luego de la fórmula de área despejamos el diámetro() =

=

√(0.4046 m2)(4) Π

= 0.7189 m

√(A2)(4) π

7.- Un cubo de acero de 20 cm de arista se sumerge en agua. Si tiene un peso de 650 N. ¿Cuál será el peso aparente del cubo? Datos: Fórmula: Sustitución y resultado: Primero convertimos los cm a Identificamos la m: fórmula: E=(1000kg/m3)(9.8m/s2)(0.008m3) Lado= 20 cm = 0.20 m W aparente= W Empuje=78.4 N real-E Con la fórmula de volumen para un cubo obtenemos el Como volumen: necesitamos el W aparente = 650 N – 78.4 N 3 W aparente = 571.6 N Volumen= (L) empuje, es Volumen= necesario 0.20mx0.20mx0.20m calcularlo con la 3 Volumen = 0.008 m sig. Fórmula: W real = 650 N

E = ρgV

Como el líquido en que está inmerso el cubo es agua, de las tablas de densidad obtenemos la densidad del agua: ρagua = 1000 kg/m 3 g = 9.8 m/s2 Identificamos lo que nos piden: W aparente= ?

44


8.- Un pescador usa una plomada que pesa 40 kp en el aire y 30 kp, cuando se sumerge en el agua. ¿Cuál es el volumen de la plomada? Datos: Fórmula: Sustitución: W real = 40 kp W aparente = 30 kp. V =? ρagua = 1000 kg/m3 g = 9.8 m/s

2

La fórmula donde despejaremos el volumen es: E = ρgV Despejando tenemos: V= E ρ g Como no tenemos el Empuje lo obtenemos de la fórmula: W aparente= W-Empuje

Obtenemos primero el E: E = 40 kp – 30 kp E = 10 kp. Como 1 kp = 9.8 N Convertimos: Empuje=10 kp = 98 N Calculamos el volumen: V= 98 N (1000 Kg./m3)(9.8m/s2)

V = 0.01 m3

Despejando Empuje tenemos: Empuje = W- W aparente

5.- ACTIVIDAD DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO Resuelve los siguientes problemas: 1.-Una prensa hidráulica utiliza un pistón de 2 cm de diámetro, si una fuerza de 20 kp aplicada a este pistón hace que un segundo pistón eleve 1200 Kp. ¿Cuál deberá ser el diámetro de este segundo pistón?

2.-Los dos pistones de una prensa hidráulica tienen secciones transversales de 500 cm2 y 15 cm2 respectivamente. ¿Qué fuerza ejerce el pistón grande, si sobre el pequeño se aplica una fuerza de 25 Kp?

3.- Calcular la fuerza que se aplica en el émbolo menor de una prensa hidráulica de 10 cm2 de área, si en el émbolo mayor con un área de 150 cm 2 se produce una fuerza de 10500 N.

45


4.- Un prisma rectangular de cobre, de base igual a 36 cm 2 y una altura de 10 cm se sumerge hasta la mitad, por medio de un alambre, en un recipiente que contiene alcohol. Calcular: a. ¿Qué volumen de alcohol desaloja? b. ¿Qué empuje recibe? c. ¿Cuál es el peso aparente del prisma debido al empuje, si su peso real es de 31.36 N? 5.-Hallar la fuerza de flotación o empuje hidrostático así como la tensión de la cuerda que sujeta una pieza fundida que contiene varios metales y que pesa 60 kp y ocupa un volumen de 0.008 m 3, la pieza se suspende en un líquido desconocido cuya densidad absoluta es de 1.5 g/cm 3. 6.- ¿Cuál es el peso aparente de una roca sumergida en el agua si está pesa 54 N en el aire y tiene un volumen de 2.3 x 10-3 m3?

6.- ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN 1.- ¿Cómo se llama el aparato que constituye la aplicación fundamental del principio de Pascal? 2.- Mencione tres aplicaciones del principio de Pascal. 3.- “Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y a las paredes del recipiente que lo contiene”. ¿Cómo se le llama a este principio? 4.- ¿Si en una prensa hidráulica se aplica una fuerza en el émbolo pequeño, la presión generada es mayor, menor o igual a la presión que recibe el émbolo grande? 5.- “Un objeto que se encuentra parcial o totalmente sumergido en un fluido experimenta una fuerza ascendente (empuje) igual al peso del fluido desalojado”. ¿Cómo se le llama a este principio? 6.- ¿Cómo se obtiene el empuje que ejerce un líquido sobre un cuerpo sumergido en él? 7.- Si el empuje que experimenta un cuerpo dentro de un líquido es menor que su peso, ¿qué sucede con el cuerpo, se hunde o flota?

46


8.- Cuando un cuerpo se sumerge en agua aparentemente pesa menos, ¿cómo podemos calcular cuánto pesa dentro del agua?

1.2 HIDRODINÁMICA 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- ¿Qué pasa cuando con el pulgar tapamos un poco de la salida de una manguera?

2.- ¿Por qué disminuye el flujo de agua de una llave cuando alguien abre otra llave en la misma casa?

3.- ¿A qué se debe que la mayoría de las regaderas tengan muchos orificios pequeños y no sólo uno grande?

4.- Durante los ventarrones de alta velocidad, los techos de lámina de las casas se desprenden en algunas ocasiones; sin embargo, éstas no sufren ningún otro daño. ¿Por qué sucede este fenómeno?

2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN 1.- ¿Qué es el gasto? 2.- Investiga quién fue Daniel Bernoulli y las aportaciones que hizo al estudio de la Física. 3.- ¿Por qué vuelan los aviones? 4.- ¿En qué consiste el Teorema de Torricelli? 5.- ¿Para qué nos sirve el tubo de Pitot? 6.- Las arterias de personas con alto nivel de colesterol se obstruyen. Investiga que sucede con el flujo de sangre en su cuerpo y cómo repercute en su salud. 47


7.- Investiga cómo un bote de vela puede navegar contra el viento. Las investigaciones deberás dárselas a tu asesor para que sean parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO 1.2 HIDRODINAMICA 1.2.1 CONCEPTO DE HIDRODINAMICA Y SUS APLICACIONES Hasta ahora se ha estudiado la parte de la hidráulica que estudia los líquidos en reposo, ahora estudiaremos a la parte de la hidráulica que estudia los líquidos en movimiento llamada hidrodinámica. Para ello es necesario considerar: la velocidad, la presión, el flujo y el gasto del líquido. La hidrodinámica investiga fundamentalmente a los fluidos incompresibles, es decir a los líquidos. APLICACIONES DE LA HIDRODINAMICA La aplicación de la hidrodinámica se encuentra en el diseño de canales, construcción de puertos, presas, en la fabricación de barcos, turbinas, hélices y ductos. Para el estudio de los líquidos en movimiento, haremos las siguientes suposiciones: a) Los líquidos son incompresibles. b) Se considera despreciable la viscosidad. c) La velocidad de toda partícula de líquido es igual al pasar por el mismo punto, a esto se le llama flujo estacionario o de régimen estable. d) El flujo de los líquidos es irrotacional, implica que un elemento del fluido no posee una velocidad angular neta; esto elimina la posibilidad de remolinos (el flujo no es turbulento).

1.2.2 GASTO Y ECUACIÓN DE CONTINUIDAD gasto: El gasto es la relación que existe entre el volumen del líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir y se representa por: G=V t Donde:

G = gasto en m3/s V = volumen del líquido que fluye en metros cúbicos (m 3) t = tiempo que tarda en fluir el líquido en segundos (s) El gasto también puede calcularse si se conoce la velocidad del líquido y el área de la sección transversal de la tubería:

48


G= Av Donde: G = gasto en m 3/s A = área de la sección transversal del tubo en m 2 v = velocidad del líquido en m/s En el sistema CGS el gasto se mide en cm 3/s, o bien en unidades prácticas como litros/s.

ECUACIÓN DE CONTINUIDAD Un líquido fluye con más rapidez a través de una sección estrecha de tubería y más lentamente a través de secciones más amplias. Debido a este principio el agua fluye más rápido cuando las orillas de un arroyo en algunas partes están más cercanas entre sí. Cuando una tubería tiene una variación en su sección transversal también tiene un cambio de velocidad del líquido, de tal modo que el gasto en el punto donde el área transversal es más grande es igual al gasto en el punto donde el área transversal es más pequeña. Simbólicamente la ecuación de continuidad se escribe: G1 = G2 Por lo tanto: A1v1 = A2v2

Flujo en tuberías de distinto diámetro 1.2.3 TEOREMA DE BERNOULLI La presión de un líquido que fluye por una tubería es baja si su velocidad es alta, por el contrario, es alta si su velocidad es baja. El físico suizo Daniel Bernoulli enuncio el siguiente teorema que lleva su nombre: “En un líquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinéticas, potencial y de presión que tiene el líquido en un punto, es igual a la suma de estas energías en otro punto cualquiera”

49


El líquido posee en el punto 1 y 2 tres tipos de energías: a) Energía Cinética

1

Ec

b) Energía



Ep

mv

2

2



Potencial

mgh

c) Energía de presión, originada por la presión de las moléculas entre sí. El trabajo realizado para el desplazamiento de las moléculas es igual a la Energía de Presión.

Ep  PV

ó bien

Ep 

Pm 

Así de acuerdo al Teorema de Bernoulli tenemos:

Ec1  Ep1  E p1  Ec2  Ep2  E p 2 2

mv1

2

 mgh1 

P 1m



2



mv2

2

 mgh2 

P 2 m



Si dividimos la expresión anterior entre la masa, tendremos la expresión matemática del Teorema de Bernoulli

v12

2

 gh1 

P 1





v22

2

 gh2 

P 2



La ecuación de Bernoulli señala que la suma de presión, energía cinética y energía potencial tienen el mismo valor en todos los puntos a lo largo de la corriente.

RESTRICCIONES A LA ECUACIÓN DE BERNOULLI No puede haber dispositivos mecánicos entre las dos secciones de interés. Aunque la ecuación de Bernoulli es aplicable a una gran cantidad de problemas prácticos, existen algunas limitaciones que deben tener en cuenta con el fin de aplicar la ecuación de manera correcta.

50


1. Es válida solamente para fluidos incompresibles, puesto que el peso específico del fluido se tomó como el mismo en las dos secciones de interés. 2. Agregar o eliminar, ya que la ecuación establece que la energía total de un fluido es constante. 3. No puede haber transferencia de calor hacia dentro o fuera del fluido. 4. No puede haber pérdidas de energía debido a fricción.

APLICACIONES DEL TEOREMA DE BERNOULLI TEOREMA DE TORRICELLI.- El teorema de Bernoulli se aplica cuando deseamos conocer la velocidad con la que sale un líquido a través de un orificio de un recipiente. Para ello tendremos algunas consideraciones al aplicar la ecuación de Bernoulli, tomando como ejemplo el siguiente dibujo con dos puntos de referencia que nos servirán para comprender las consideraciones:

v12

2

 gh1 

P 1





v22

2

 gh2 

P 2



a) La velocidad del líquido en el punto A es despreciable comparada con la velocidad de salida del líquido en el punto B, es decir eliminamos el término:

  b) El punto B se encuentra en el fondo del recipiente, a una altura cero sobre la superficie del fondo, podemos eliminar el término: gh2 c) Como la energía de presión es provocada por la presión atmosférica y ésta es la misma tanto en A como en B, podemos eliminar los términos que corresponden a la energía de presión en dichos puntos: P1 y P2 51


ρ1 ρ2 De acuerdo con lo anterior y despejando la velocidad de salida del orificio (v 2) de la ecuación de Bernoulli nos queda:

    Donde:

v = valor de la velocidad del líquido por el orificio en m/s g = valor de la aceleración de la gravedad = 9.8 m/s 2 h = profundidad a la que se encuentra el orificio de salida en m

La ecuación anterior fue desarrollada por el físico Evangelista Torricelli (16081647) y su teorema dice:

“La velocidad con la que sale un líquido por el orificio de un recipiente es igual a la que adquiriría un cuerpo que se dejara caer libremente desde la superficie libre del líquido hasta el nivel del orificio” TUBO DE PITOT Se utiliza para medir en una forma sencilla la velocidad de la corriente de un río. El tubo tiene una forma de L y al ser introducido en la corriente, debido a la presión de ésta, el agua se elevará a cierta altura sobre la superficie. La velocidad se calcula empleando la fórmula del teorema de Torricelli, utilizando la altura que se obtiene del tubo. TUBO DE VENTURI.- Se utiliza para medir la velocidad de un líquido que circula a presión dentro de una tubería. Su funcionamiento también es una aplicación del teorema de Bernoulli. 2 z 1 1

2

Cuando el líquido pasa por la sección más estrecha aumenta su velocidad, pero disminuye su presión. En los extremos de cada tubo se acoplan manómetros, así se conoce la presión, conociendo el valor de las áreas transversales se puede calcular la velocidad del líquido a través de la tubería si se utiliza la siguiente expresión, obtenida a partir de la ecuación de Bernoulli 52


2 v A 



 P A  P B  2

 A A     1  A B 

LA SUSTENTACIÓN DE LOS AVIONES Una de las aplicaciones del principio se Bernoulli es en el vuelo de los aviones, para que un avión se pueda elevar es necesario que la forma del ala de un avión deba ser diseñada con la parte superior curvada y la inferior plana. Cuando el avión esta en movimiento, la velocidad del aire que pasa por la superficie superior del ala es mayor que la que pasa por la parte inferior, esto provoca una diferencia de presiones más baja arriba que abajo con lo cual el ala tenderá a subir. La diferencia de presión crea una fuerza ascendente

AIRE

Sobre el avión actúan cuatro fuerzas Sustentación: Permite al avión volar, el levantamiento debe ser igual al peso para contrarrestar la fuerza de gravedad. Resistencia: Es la fuerza que opone el aire contra el avión. Peso: Es la fuerza con la que la tierra tira del avión hacia sí. Empuje: Es la fuerza que empuja al avión (los motores). Para que el avión pueda volar debe de existir un empuje igual a la resistencia.

53


El tener conocimiento de cómo se comportan los fluidos en movimiento, ya sea agua, ya sea viento, nos puede ayudar a evitar accidentes. El teorema de Bernoulli nos enseña que la presión de un fluido es menor cuando la velocidad es mayor. Imagínate dos barcos navegando en un río, cuando los barcos están a cierta distancia y navegando en una forma paralela uno del otro, entre ambos existe un flujo de corriente, de modo que en esta zona la velocidad de la corriente es mayor que del otro lado de los barcos, de tal manera que la presión entre los barcos es menor en el centro que a los lados contiguos; esta diferencia de presiones es la que ocasiona que los barcos se atraigan. Esto mismo puede suceder cuando dos trenes, carros, aviones pasan uno junto al otro.

MOVIMIENTO DE LOS CUERPOS SÓLIDOS EN FLUIDOS A la capa de fluido que ejerce resistencia al movimiento de éste se le llama viscosidad. Cuando un cuerpo sólido se mueve en un fluido como el aire, agua o aceite experimenta una resistencia que se opone a su movimiento llamada fuerza de fricción viscosa, y depende de la velocidad del sólido, de la viscosidad del fluido y de la figura geométrica del sólido. La aerodinámica estudia las formas más adecuadas para que un móvil disminuya la fuerza de fricción viscosa del aire. Al construir aviones, barcos, lanchas, se buscan las formas más adecuadas, ya sean curvas o lisas que reduzcan la fuerza de fracción viscosa del aire o del agua. 4.-ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXIÓN 1.- Si queremos cambiar una tubería, de modo que en la nueva disminuya la presión que el agua ejerce sobre las paredes del tubo, ¿debemos poner una tubería con mayor o menor diámetro que la anterior? ¿por qué?

2.-Si lanzamos una pelota o un balón con efecto, es decir rotando sobre si mismo, se desvía hacia un lado. ¿Por qué crees que suceda este fenómeno?

54


3.- Por la carretera va un ciclista, detrás de él viene un automovilista, quien al percatarse del ciclista se mueve hacia el carril a su izquierda para rebasarlo, cual es su sorpresa que al estar en una posición paralela al ciclista, el ciclista choca con él. ¿Cómo podrías explicar lo que sucedió? Utiliza dibujos para dar tu explicación.

4.- Por una tubería de 3.81 cm de diámetro (1 ) circula agua a una velocidad de 3 m/s. En una parte de la tubería hay un estrechamiento y el diámetro ( 2 ) es de 2.54 cm. ¿Qué velocidad lleva el agua en ese punto?

Datos: 1 = 3.81cm 2 =

Fórmula:

Sustitución y

A1v1 = A2v2

resultado:

Despejamos V2 de la fórmula y calculamos:

2.54 cm

v2 

v1 = 3 m/s v2 = ?

A1v1

v2

3.68 x10 

4



m 2 3 m s  4

5.07 x10 m 2

= 2.18 m/s

A2

Calculamos A1 y A2 A1  A2 

 2

4  2

4

2

 

 0.0381m 

4  0.0254 m 

4

 3.63 x10 4 m 2

2

 5.07 x10  4 m 2

6.-La presión del agua de un edificio es de 3 atm, siendo el diámetro de la tubería de 2 cm y su velocidad de 20 m/s. Si el baño de un departamento del cuarto piso esta a 6 m de la entrada y la tubería tiene un diámetro de 4 cm, calcule: a) La presión y velocidad del agua en el baño. Se usa la ecuación de Bernoulli tomando como posición 1 la entrada y como posición 2 el baño del cuarto piso.

55


Datos: P1=3 atm como: 1 atm = 1.013x105 Pa Entonces: P1 = 3.03x105 Pa.

Fórmula: Utilizando la ec. de Continuidad:

Sustitución: v2 = A1V1 A2

A1v1 = A2v2

v2 = (0.000314m 2)(20m/s) (0.001256 m2)

Y despejando v 2:

 1 = 2 cm = 0.02 m 2

2

Area1 = π = (π)(0.02m) = 4 4 2 A1 = 0.000314 m

v2 = A1v1 A2

V2 = 5 m/s

Utilizando la ec. de Bernoulli:

P2= (20m/s)2+3.03x105Pa 2 1000 kg/m3 (5m/s)2(9.8m/s)(6m)](1000kg/m3) 2

v1 = 20 m/s h 1= 0 m g = 9.8 m/s ρ = 1000 kg/m 3 P2 = ? v2 = ?  2 = 4 cm= 0.04 m A1 = π2 = (π)(0.04m)2= 4 4 Area 2 = 0.001256 m2

v12 +gh1+P1 = v22 +gh2+P2 ρ 2 2 ρ

P2 = 431700 Pa.

Y despejando P 2:

h 2= 6 m P2=( v12 +gh1+P1- v22gh2)( ρ) ρ 2 2 Como h1=0 entonces: P2=( v12 +P1- v22- gh2)( ρ) 2 ρ 2

7.- ¿Con qué velocidad sale un líquido por un orificio que se encuentra a una profundidad de 0.9 m?

Datos: v =?

Formula: v  2 gh


Sustituimos

h = 0.9 m g = 9.8 m/s2 56

v

29.8 m s 0.9m = 4.2 m/s 2


8.- Un tubo de Pitot se introduce en la corriente de un río, el agua alcanza una altura de 0.15 m en el tubo. ¿A qué velocidad va la corriente?

Datos:

Formula: v  2 gh

v=?


sustituimos

v

29.8 m s 0.15m = 1.71 m/s 2

h = 0.15 m g = 9.8 m/s2 9.- Un tubo de Venturi tiene un diámetro de 0.1524 m y una presión de 4.2 x 104 N/m2 en su parte más ancha. En el estrechamiento, el diámetro es de 0.0762 m y la presión es de 3 x 10 4 N/m2. ¿Cuál es la velocidad del agua que fluye por la tubería? 1 = 0.1524 m 2 =

0.0762 m

P1 = 4.2x104 N/m2 P2 = 3 x 10 4 N/m2 Calculamos primero A 1 y A2 con los diámetros dados A1  A2 

 2

4  2

4



 0.1529m



 0.0762m

2

 1.824 x10 2 m 2

4

4

2

 4.56 x10 3 m 2

Sustituimos en la ecuación para calcular la velocidad 2 v A 



 P A  P B  2

 A A     1 A  B 

2



1000 kg m 3

4.2 x10

4

N m 2  3 x10 4 N m 2 2

 1.824 x10 2 m 2    1 3 2  4 . 56 10 x m  

 = 1.26 m/s

5.- ACTIVIDAD DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO Resuelve cada uno de los siguientes problemas, copia cada uno de los siguientes problemas en tu cuaderno y resuélvelos, siguiendo los procedimientos, cuida las unidades. 1.- Determinar el gasto a través de una tubería, si circulan en ella 7m 3 en 0.85 min.

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2.- Determinar el diámetro que debe tener una tubería, para que el gasto de agua sea de 0.3 m3/s a una velocidad de 8 m/s 3.- Para llenar un tanque de almacenamiento de gasolina se envió un gasto de 0.2 m3/s durante un tiempo de 5.3 min. ¿Que volumen tiene el tanque? 4.- Por una tubería fluyen 2000 litros de agua en un minuto. Determinar el gasto en la tubería. 5.- Una manguera de agua de 2 cm de diámetro es utilizada para llenar una cubeta de 20 litros. Si se tarda 1 minuto para llenar la cubeta, ¿cuál es la velocidad a la cual el agua sale de la manguera? 6.- Desde que altura cae el agua al salir por un orificio con una velocidad de 3.5 m/s

7.- Para medir la velocidad de la corriente de un río se utilizó un tubo Pitot en el cual el agua alcanzó una altura de 25 cm. ¿A qué velocidad va la corriente?

8.- Calcular el diámetro que debe tener una tubería para que el gasto sea de 0.03 m3/s a velocidad de 1.2 m/s.

9.- En la parte más ancha de un tubo Venturi hay un diámetro de 9 cm y una presión de 3 x 10 4 N/m2. En el estrechamiento del tubo, el diámetro mide 5 cm y tiene una presión de 1.5 x 10 4 N/m2. Determinar la velocidad del agua que fluye a través de la tubería.

6.- ACTIVIDADES DE INTEGRACIÓN Contesta brevemente en tu cuaderno: 1.- Parte de la Física que estudia los líquidos en movimiento 2.- Es la relación que hay entre el volumen del líquido y el tiempo que tarda en fluir 3.- Aparato que nos sirve para medir la velocidad de la corriente de agua de un río. 4.- Dispositivo que sirve para medir la velocidad de un líquido que circula a presión dentro de una tubería. 5.- Fuerza que ayuda a mantener el vuelo de los aviones. 6.- Los diseños de un canal, presas, puertos son aplicaciones de la: 7.- Para facilitar el estudio de los líquidos en movimiento (Hidrodinámica) debemos suponer que estos son: 58


7.- ACTIVIDADES DE APOYO Resuelve la siguiente autoevaluación para medir el aprendizaje adquirido en este módulo, consulte en su guia cuando no sepa contestar alguna pregunta. Copia las preguntas en tu cuaderno y contesta lo que se te pide. 1.- Estudia el comportamiento de los líquidos en movimiento a) Hidrostática b) Hidroneumática c) Hidrodinámica

d) Aerodinámica

2.- Es una medida de resistencia que opone un líquido al fluir. a) Tensión b) Cohesión c) Viscosidad d) Capilaridad superficial 3.- Este fenómeno se presenta cuando existe contacto entre un líquido y una pared sólida, especialmente si son tubos muy delgados. a) Tensión b) Cohesión c) Viscosidad d) Capilaridad superficial 4.- Es una propiedad característica de la materia y representa la masa contenida en la unidad de volumen. a) Densidad b) Peso específico c) Presión d) Presión hidrostática 5.-Es la relación entre la fuerza aplicada y el área sobre la cual actúa. a) Tensión b) Presión c) Viscosidad d) Capilaridad superficial 6.- Es aquella presión que origina todo líquido sobre el fondo y las paredes del recipiente que lo contiene. a) Presión b) Presión c) Presión d) Presión absoluta hidrostática manométrica 7.- Instrumento utilizado para medir la densidad de un líquido. a) Barómetro b)Tubo de Pitot c) Densímetro d) Manómetro 8.- Instrumento utilizado para medir la presión atmosférica. a) Barómetro b)Tubo de Pitot c) Densímetro

d) Manómetro

9.- Instrumento que se usa para medir la velocidad de la corriente de un río. a) Barómetro b)Tubo de Pitot c) Densímetro d) Manómetro 10.- Instrumento utilizado para medir la presión de un fluido encerrado en un recipiente. a) Barómetro b)Tubo de Pitot c) Densímetro d) Manómetro 11.- Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado, se refiere a: a) Teorema de b) Principio de c) Teorema de d) Gasto Torricelli Arquímedes Bernoulli 59


12.-Es la relación que existe entre el volumen de un líquido que fluye por un conducto y el tiempo que tarda en fluir. a) Teorema de b) Principio de c) Teorema de d) Gasto Torricelli Arquímedes Bernoulli 13.-“En un líquido ideal cuyo flujo es estacionario, la suma de las energías cinética, potencial y de presión que tiene el líquido en un punto, es igual al suma de estas energías en otro punto cualquiera” se refiere a: a) Teorema de b) Principio de c) Teorema de d) Gasto Torricelli Arquímedes Bernoulli 14.- “La velocidad con la que sale un líquido por el orifico de un recipiente, es igual a la que adquiriría un cuerpo que se dejara caer libremente desde la superficie libre del líquido hasta el nivel del orificio” se refiere a : a) Teorema de b) Principio de c)Teorema de d) Gasto Torricelli Arquímedes Bernoulli 15.-Mencione el nombre del siguiente principio: “Toda presión que se ejerce sobre un líquido encerrado en un recipiente, se transmite con la misma intensidad a todos los puntos del líquido y las paredes del rec ipiente que lo contiene” 16.- Explique cómo funciona la prensa hidráulica e indique la expresión matemática usada para el cálculo de la fuerza que se puede obtener en el émbolo mayor. 17.- Enuncie el principio de Arquímedes. 18.- Explique en qué condiciones flota un cuerpo sumergido dentro de un fluido. 19.- ¿Cómo se calcula el valor del empuje que recibe un cuerpo al sumergirlo en un líquido? 20.- Explique el significado de la ecuación de continuidad. 21.- Explique qué pasa con la presión y la velocidad de un líquido que fluye a través de una tubería cuando ésta disminuye su sección transversal. 22.- Escriba la ecuación matemática para calcular la velocidad de un líquido por un orificio de un recipiente. 23.- Explique cómo se mide la velocidad de la corriente de un río o canal, utilizando el tubo de Pitot.

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A ctividad experimental No 1 Densidades A bsolutas de s ólidos y líquidos

Densidad de sólidos Propósito: Que el alumno obtenga la densidad absoluta de un sólido regular y de uno irregular. Planteamiento del problema Determinar experimentalmente la densidad absoluta de un sólido regular y de uno irregular. Material y sustancias  1 Balanza granataria  1 Balín (sólido regular)  1 Piedra chica (sólido irregular) *  1 Vernier  1 Probeta de 100 ml  Agua destilada * Material proporcionado por el alumno Procedimiento Diseña un procedimiento adecuado para la actividad experimental, tomando en cuenta el material y las sustancias anteriores. (Escribe el procedimiento que diseñaste) Pasos

Observaciones

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Cálculos

Resultados

Cuestionario 1.- Define densidad absoluta y anota sus unidades en los tres sistemas de unidades.

SI CGS Técnico 2.- Define sólido regular y sólido irregular

Conclusiones

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MÓDULO II: “CALOR Y TEMPERATURA” Unidad de competencia: El estudiante explica la diferencia entre calor y temperatura, los efectos del calor sobre los cuerpos, por medio del razonamiento inductivo-deductivo de sus conceptos y aplicaciones de técnicas y/o modelos experimentales y leyes, muestra interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos.

MAPA CONCEPTUAL TEMPERATURA

CALOR Y TEMPERATURA LÍNEAL

CALOR ESPECÍFICO

DILATACI N DE LOS CUERPOS

CALOR

VOLUM TRICA SUPERFICIAL

CALOR CEDIDO

MECANISMOS DE CALOR

CONDUCCIÓN

RADIACION

CONVECCI N

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2.1 DIFERENCIA ENTRE CALOR Y TEMPERATURA 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- ¿Por qué siempre se deja un espacio libre entre los rieles del tren y las vías férreas? 2.- ¿Por qué cuando queremos enfriar una tetera de bebé la ponemos dentro de un recipiente de agua fría? 3.- ¿Por qué en invierno usamos ropa oscura y en verano ropa clara? 4.- ¿Por qué usamos mercurio para fabricar los termómetros? ¿Qué sucede con el mercurio? 5.- ¿Qué conduce mejor el calor: Un piso de cerámica o un trozo de alfombra? 6.- ¿El calor se transfiere? 7.- ¿La temperatura se transfiere? 8.- ¿Por qué en la noche en algunas casas se escucha que las paredes truenan? 9.- ¿Por qué cuando en verano dejamos una botella de agua dentro del carro y la tratamos de abrir se escucha que escapa gas? 10.- ¿Por qué los metales se sienten fríos al tacto? 11.- ¿Por qué cuando se introduce una cuchara dentro de una taza con agua caliente y después de un tiempo, sacamos la cuchara, la temperatura de la cuchara se ha elevado? 12.- ¿Por qué cuando se cocinan en el horno dos pasteles, uno en la parrilla inferior y otro en la parrilla superior, el de la parrilla superior se cocina más rápido? 13.- ¿Por qué los mangos de las sartenes los fabrican de madera o plástico? 14.- ¿Por qué en Estados Unidos la mayoría de las casas están hechas de madera? 15.- ¿Por qué al calentar agua o leche en un recipiente después de un tiempo se derrama?

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2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN 1.- ¿Qué es la temperatura? 2.- ¿Qué es el calor? 3.- ¿Cuál es la diferencia entre calor y temperatura? 4.- ¿Cuál es la diferencia entre calor y energía interna? 5.- ¿Qué es el equilibrio térmico? 6.- ¿La temperatura de un cuerpo depende de su masa? 7.- ¿La energía interna de dos cuerpos con la misma temperatura se modifica al cambiar la masa de uno de ellos? 8.- Investiga que es la hipotermia 9.- ¿Hay transferencia de calor entre dos cuerpos de diferente masa pero misma temperatura? 10.- Investiga cómo se fabrica un termo. 11.- Investiga cómo se forman los huracanes. 12.- Investiga en que fenómenos cotidianos se presentan corrientes de convección. Las investigaciones deberás dársela a tu asesor para que sean parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO 2.1.1. CONCEPTO DE TEMPERATURA Y SU MEDICIÓN Seguramente has escuchado o di cho frases como: “Tengo mucho frío”, “Mi abrigo calientito”, “échale agua la sartén para que se enfríe”, Pues bien, en Física estudiaremos de una manera científica el significado de temperatura, calor y la diferencia que hay entre estos dos conceptos, pues aunque están muy ligados no son lo mismo.

TEMPERATURA Es una magnitud física que indica que tan caliente o fría es una sustancia con respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón, También se define como una medida de la energía cinética promedio de las moléculas de un sistema (conjunto de elementos considerados de manera aislada). La temperatura de un cuerpo o sistema es una característica intensiva debido a que no depende de la cantidad de materia ni de su naturaleza, sino del ambiente

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en donde se encuentre. Por lo tanto una olla de acero, una silla de madera y un mantel que se localizan en un mismo cuarto tendrán la misma temperatura. Nuestro sentido del tacto percibe la energía que nuestro cuerpo cede o recibe en función de la conductividad térmica de los objetos que tocamos. Cuando tocamos una olla de acero, debido a que el metal es buen conductor del calor, nuestro cuerpo cede más energía que cuando tocamos una mesa de madera, ya que la madera es un mal conductor del calor. Debido a esto percibimos frió un objeto metálico y templado un objeto de madera. El tacto no estima temperaturas, sino pérdidas o ganancias de calor. La temperatura depende del estado de agitación o movimiento desordenado de las moléculas del cuerpo o sistema, esto es el valor de la energía cinética promedio.

ENERGÍA INTERNA DE UN CUERPO Aunque un cuerpo se encuentre en reposo se ha demostrado que tiene actividad interna. A esa actividad interna se le llama energía interna y se define como la suma de las energías cinética y potencial de todas las moléculas individuales que lo constituyen. Cuando dos objetos con diferentes temperaturas se ponen en contacto se transfiere energía de uno a otro. MEDIDA DE LA TEMPERATURA El tacto puede ayudar a comparar cualitativamente la temperatura de dos cuerpos. Sin embargo, para medir la temperatura de manera más precisa y objetiva se util iza un instrumento de medición llamado termómetro. Los termómetros hacen uso del principio de equilibrio térmico y además aprovecha otra propiedad de la materia: las sustancias cambian su volumen cuando cambia su temperatura. A este fenómeno se le conoce como dilatación. Cada material se dilata de manera distinta, algunos modifican más su volumen que otros al someterse a un cambio de temperatura. Otras sustancias se dilatan uniformemente, su volumen se modifica prácticamente de manera proporcional con el mismo cambio de temperatura. El alcohol y el mercurio son sustancias que en cierto intervalo de temperatura se dilatan de manera uniforme, y por esta razón son las que se usan habitualmente para construir los termómetros. La escala de un termómetro de mercurio puede ser de -39 0C a 357 0C. El termómetro de alcohol se utiliza para medir temperaturas menores de -39 0C hasta -1300C, para temperaturas menores se usan los termómetros de tolueno o de éteres de petróleo.

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Termómetro de mercurio

Termómetro de alcohol

DIFERENTES ESCALAS DE TEMPERATURA En los inicios del siglo XVIII se utilizaban más de 30 escalas diferentes para medir la temperatura. Actualmente las más utilizadas son tres: la escala Celsius, la escala Kelvin y la escala Fahrenheit.

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ESCALA CELSIUS En 1742 el científico sueco Andrés Celsius (1701-1744) ideó la escala termométrica que lleva su nombre. Eligió como puntos de referencia para un termómetro de mercurio la temperatura de fusión del hielo (0 0C) y la de ebullición del agua (100 0C) a la presión de una atmósfera (760 mm de Hg), dividió su escala en 100 partes iguales cada una de 1 0C. La escala Celsius se usa, tanto en la vida cotidiana como en la ciencia y la industria, en casi todo el mundo. ESCALA FAHRENHEIT Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) fue un físico alemán que desarrolló la escala de temperatura que ahora lleva su nombre. Fahrenheit eligió como puntos de referencia las temperaturas de congelación y de evaporación del cloruro de amonio en agua, asignando a la primera el valor de cero, y a la segunda el de 100. En esta escala el punto de congelación del agua es 32 0F, y el de ebullición, 212 0F. Hay 180 divisiones entre estos dos puntos. La escala Fahrenheit no se usa en México, pero sigue siendo utilizada en Estados Unidos de América y en el Reino Unido. ESCALA KELVIN A la escala de temperatura de Kelvin se le conoce también como escala de temperatura absoluta, ya que no utiliza un punto de referencia arbitrario; William Thompson Kelvin (1824-1907) no determinó la temperatura mínima de su escala a través de una medida experimental, lo hizo, a través de cálculos matemáticos que lo llevaron a la conclusión de que no puede existir una temperatura más baja que 273 grados Celsius, en esa temperatura la energía cinética de las moléculas es cero. El tamaño de un grado de la escala de Kelvin es igual al de un grado Celsius y el valor de cero grados en la escala de Celsius equivale a 273 K. Los grados Kelvin es la escala aceptada por el Sistema Internacional de Unidades (SI). CONVERSIÓN DE TEMPERATURAS DE UNA ESCALA A OTRA Se pueden convertir las temperaturas de una escala a otra con las siguientes fórmulas: Para la conversión entre K y 0C se emplean las ecuaciones: 0

K= 0C + 273

C= K – 273

Para la conversión entre 0C y 0F se emplean las ecuaciones: 0

F = 1.8 0C + 32

0

C=

0

F - 32 1.8

2.1.2. CONCEPTO DE CALOR Y SUS UNIDADES CALOR Es la energía calorífica que se transfiere de los cuerpos que están a mayor temperatura a los de menor temperatura, hasta que los cuerpos tienen la misma temperatura.

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Cuando dos objetos con temperaturas diferentes se ponen en contacto se transfieren energía de uno a otro. La energía calorífica se transferirá hasta que el sistema alcance una condición estable llamada equilibrio térmico, entonces ya no se le denomina calor y se interpreta como energía interna del cuerpo o sustancia de la que se trate. La dirección del flujo de calor entre dos objetos depende de sus temperaturas, y no de cuanta energía interna tenga cada uno.

UNIDADES PARA MEDIR EL CALOR El calor es una forma de energía, llamada energía calorífica, por lo tanto, las unidades para medir calor son las mismas del trabajo mecánico y de la energía: En el sistema internacional de Unidades (SI):

Joule = newton metro = Nm = J Se utilizan también para medir calor la caloría y el BTU.

CALORÍA Es la cantidad de calor aplicado a un gramo de agua para elevar su temperatura 10C, de 14.5 a 15.5 0C. KILOCALORÍA Es un múltiplo de la caloría y equivale a: 1 kcal = 1000 cal

BTU: Esta unidad es usada en el Sistema Inglés y sus siglas significan British Termal Unit. El BTU es la cantidad de calor aplicada a una libra de agua (454 g) para que eleve su temperatura un grado Fahrenheit. Equivalencias entre las diferentes unidades: 1 BTU = 252 cal = 0.252 kcal 1 joule = 0.24 cal 1 caloría = 4.2 J

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4.- ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXIÓN Instrucciones: 1.- ¿Podemos saber la temperatura de una olla de metal, una mesa de madera y unas cortinas que están en una misma habitación con tan sólo tocarlas? ¿Por qué?

2.- ¿Qué tendrá mayor temperatura, 20 kg de oro ó 1 kg de oro que están en la misma habitación? ¿Por qué? 3.- ¿Qué tendrá mayor temperatura una barra de aluminio o un trozo de madera que están en la misma habitación? ¿Por qué?

4.- ¿Qué tendrá mayor energía interna, un trozo de hierro de 5 kg ó un trozo de hierro de 0.5 kg, ambos a 50 0C? ¿Por qué?

5.- Un trozo de acero caliente se deja caer en un recipiente de agua, se deja pasar tiempo de modo que el sistema alcance el equilibrio térmico. ¿El acero y el agua tienen la misma temperatura? ¿Por qué?

6.- Si tuviera usted un termómetro sin graduaciones, ¿cómo haría para marcarlo en grados Celsius?

7.- Si tenemos dos recipientes, uno con 100 g de agua, otro con 500 g de agua; ambos a una temperatura de 25 0C y se les suministra calor colocando una flama bajo cada vaso durante el mismo periodo de tiempo. ¿En cuál recipiente la temperatura será mayor? ¿Por qué?

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8.- La temperatura normal del ser humano es de 98.6 0F. ¿Cuál es la temperatura correspondiente en la escala Celsius? Solución: La fórmula que se usa es: 0

C = 0F -32 1.8

Sustituimos los datos: 0 C = 98.6 0F - 32 1.8 0 0 C = 37 C 9.- El punto de ebullición del azufre es 444.5 correspondiente en la escala Fahrenheit? Solución: La fórmula que se usa es: 0 F = 1.8 0C + 32 Sustituimos los datos:

0

C. ¿Cuál es la temperatura

0

F = 1.8 (444.5 0C) + 32

0

F = 832.1 0F

10.- Una flama de soldadura oxiacetilénica neutra produce una temperatura de 5600 0F ¿Cuál es la temperatura en grados Celsius y Kelvin? Solución: Primero convertiremos a grados Celsius con la siguiente fórmula: 0 C = 0F -32 1.8 Sustituimos y hacemos la operación: 0 C = 5600 0F -32 1.8 0 C = 3093.33 0C Ahora convertiremos a grados Kelvin con la siguiente fórmula: K = 0C + 273 Sustituimos y hacemos la operación: K = 3093.33 0C + 273 K = 3366.33 K

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5.- ACTIVIDAD DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO Instrucciones: 1.- En una fría mañana se informa de una temperatura de 23 0F. ¿Cuál es la temperatura Celsius correspondiente?

2.- Una viga de acero se retira de un horno a 450 0C. ¿Cuál es la correspondiente temperatura en Fahrenheit? Si la viga se enfría 200 0F, ¿cuál es la nueva temperatura Celsius?

3.-Llene los espacios en blanco con las temperaturas correspondientes en cada escala: Kelvin Celsius Fahrenheit 86 K 31 C -200 0F 4.- ¿A qué temperatura la escala Celsius y la escala Fahrenheit coinciden en la misma lectura numérica?

5.-El punto de fusión del plomo es 330 correspondiente en la escala Fahrenheit?

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0

C. ¿Cuál es la temperatura


6.- ACTIVIDAD DE INTEGRACIÓN Conteste el siguiente crucigrama:

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2.1.3 MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR Como el calor o energía calorífica siempre se propaga de los cuerpos más clientes a los más fríos, cuando estén varios cuerpos en contacto y unos estén más calientes que otros, todos tenderán a alcanzar la misma temperatura y el calor se propagará de un punto a otro. El calor se propaga de tres formas diferentes: a) Conducción b) Convección c) Radiación

CONDUCCIÓN La conducción es el proceso mediante el cual se transfiere energía térmica a través de un cuerpo sólido, mediante el choque entre moléculas. Veamos la siguiente imagen para entender mejor:

La varilla metálica es sometida al fuego, conforme transcurre el tiempo, el incremento de la actividad molecular en el extremo calentado va pasando de una a otra molécula, hasta que llega al otro extremo de la varilla. El proceso continúa mientras haya una diferencia de temperatura a lo largo de la barra. La mayoría de los metales son eficientes conductores del calor, en general un buen conductor de la electricidad también es eficiente conductor del calor. Los materiales que no son buenos conductores del calor son llamados también aislantes; por ejemplo: el corcho, la lana, el vidrio, la madera, el aire, el papel. En el vacío no se propaga el calor por conducción, por eso los termos que son utilizados para conservar los líquidos calientes o fríos son construidos con dos paredes entre las cuales existe un alto vacío que evita la transmisión de calor por conducción, con las mismas bases que el termo también son construidas las ventanas de doble vidrio.

CONVECCIÓN La convección es el proceso por el cual el calor es transferido por medio del movimiento real de la masa de un medio material, es decir por el movimiento de la sustancia caliente. En los líquidos y en los gases el calor se propaga por convección. Las moléculas calientes de un líquido o de un gas tienen tendencia a elevarse, mientras que las 74


moléculas frías tienden a descender. Así, se forman unas corrientes, llamadas de convección, que ayudan a transportar el calor a todas partes. Puedes observar estas corrientes en un recipiente de agua que se está calentando echando un poco de aserrín en el.

Calentamiento de agua por convección, donde el agua caliente asciende y el agua fría desciende, formando las llamadas corrientes de convección.

Cuando un fluido es obligado a moverse por la acción de una bomba o unas aspas, la corriente producida se conoce como convección forzada. Muchas casas se calientan por medio de ventiladores para forzar el aire caliente a desplazarse desde un horno hasta las habitaciones. Cuando el movimiento de un fluido es causado por una diferencia de densidades, que acompaña un cambio en la temperatura, la corriente producida se conoce como convección natural. Los vientos son corrientes de convección natural del aire atmosférico, debido a las diferencias de temperatura y densidad que se producen en la atmósfera.

RADIACIÓN La radiación es la propagación del calor por medio de ondas electromagnéticas emitidas por un sólido, un líquido o un gas, en virtud de su temperatura. Los rayos gamma, rayos X, ondas de luz, rayos infrarrojos, ondas de radio y ondas de radar son ejemplos de ondas electromagnéticas. Cuando la radiación de un cuerpo caliente llega a un objeto, una parte se absorbe y otra se refleja. Los colores oscuros son los que absorben más las radiaciones y los claros, como el blanco, los reflejan.

Absorción de las radiaciones solares según el tipo de cuerpo que las atraviesa

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ENERGÍA SOLAR La energía radiante que nos llega del sol nos proporciona energía calorífica, este tipo de energía es aprovechada por el hombre de diferentes maneras: para el funcionamiento de motores, timbres, encendido público, provistos de celdas solares; para calentar agua destinada al uso doméstico, se fabrican destiladores solares utilizados para obtener agua potable a partir del agua de los mares, también se han construido desecadores solares de frutos. Además de los usos mencionados, la energía solar es convertida a energía eléctrica por medio de baterías solares; estas baterías son utilizadas para mover carros eléctricos, en el funcionamiento de receptores de radio, calculadoras de bolsillo, etc.

Actividad previa y actividad de indagación 3.- DESARROLLO Utilización de paneles solares para calentar agua, el agua caliente queda almacenada para su posterior consumo. 2.1.4 DILATACIÓN DE LOS CUERPOS, LINEAL, SUPERFICIAL Y VOLUMÉTRICA DILATACIÓN LINEAL Con pocas excepciones, todas las sustancias incrementan su tamaño cuando se eleva la temperatura y se contraen al enfriarse. Los gases se dilatan mucho más que los líquidos y éstos más que los sólidos. Si se calientan los gases y los líquidos las partículas chocan violentamente rebotando a mayor distancia que cuando no se calientan, provocando la dilatación. En los sólidos las partículas vibran alrededor de posiciones fijas, que al calentarse aumentan su movimiento y se alejan de sus centros de vibración provocando la dilatación. COEFICIENTE DE DILATACIÓN LINEAL Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado Celsius. Por ejemplo una varilla de hierro de un metro de longitud aumenta 11.7 x10 -6m al elevar su temperatura un grado centígrado. A este incremento se llama coeficiente de dilatación lineal y se representa con la letra griega alfa ( α).

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Enseguida se muestran algunos coeficientes de dilatación lineal de diferentes sustancias:

α (1/ C) 11.7 x1022.4 x10-6 16.7 x1018.3 x1027.3 x10-6 12.5 x1011.5 x1035.4 x10-6 7.3 x10-

SUSTANCIA Hierro Aluminio Cobre Plata Plomo Níquel Acero Zinc Vidrio

Para calcular el coeficiente de dilatación lineal se emplea la siguiente fórmula:

α = Lf – L0 L0(Tf – T0) Donde: Α = coeficiente de dilatación lineal en 1/ 0C o en 0C-1 Lf = longitud final medida en metros (m) L0 = longitud inicial expresada en metros (m) Tf = temperatura final medida en grados Celsius ( 0C) T0 = temperatura inicial medida en grados Celsius ( 0C) Para conocer la longitud final de un cuerpo al variar su temperatura, sólo despejamos la longitud final de la fórmula anterior y obtendremos la siguiente fórmula: Lf = α L0 (Tf – T0) + L0 Lf = L0 [ 1 + (Tf – T0) ]

Consideraciones prácticas sobre la dilatación La dilatación lineal tiene propiedades tanto útiles como destructivas cuando se aplica a construcción de puentes de acero, vías férreas, estructura de concreto armado y en general de cualquier estructura rígida, por lo que se deben de dejar huecos o espacios libres, llamados juntas de dilatación o rodamiento. Para ello, los ingenieros deben considerar la tolerancia permitida para la dilata ción en cada caso. Las juntas de dilatación permiten a los materiales dilatarse libremente para evitar rupturas o deformaciones que pongan en peligro la estabilidad de lo construido. DILATACIÓN SUPERFICIAL Cuando una superficie o área se dilata, lo hace aumentando sus dimensiones (largo y ancho) en la misma proporción. La dilatación de una superficie es exactamente igual a una ampliación de una fotografía.

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Coeficiente de dilatación superficial Es el incremento de área que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de área igual a la unidad, al elevarse su temperatura un grado centígrado. El coeficiente de dilatación superficial se usa para los sólidos. Conociendo el coeficiente de dilatación lineal ( α) de un sólido, su coeficiente de dilatación superficial es dos veces mayor. Por lo tanto: γ=2α De donde:

γ = coeficiente de dilatación superficial α = coeficiente de dilatación lineal Para calcular el área o superficie que tendrá un cuerpo después de haber sido sometido a un cambio de temperatura se usa la siguiente fórmula: Af = A0[1+ γ(Tf – T0)] Donde: Af = área o superficie final en metros cuadrados (m 2) A0 = área o superficie inicial expresada en metros cuadrados (m 2) γ = coeficiente de dilatación superficial en 1/0C ó 0C-1 Tf = temperatura final medida en grados centígrados ( 0C) T0 = temperatura inicial medida en grados centígrados ( 0C) Enseguida se muestran algunos valores de coeficientes de dilatación superficial para diferentes sólidos: SUSTANCIA γ ( C- ) Hierro 23.4 x10 Aluminio 44.8 x10-6 Cobre 33.4 x10Plata 36.6 x10Plomo 54.6 x10-6 Níquel 25.0 x10 Acero 23.0 x10Vidrio 14.6 x10-6 Latón 18 x10-

DILATACIÓN VOLUMÉTRICA Es el aumento de las dimensiones de un cuerpo: largo, ancho y alto. Lo que significa un aumento de su volumen. COEFICIENTE DE DILATACIÓN VOLUMÉTRICA Es el incremento de volumen que experimenta un cuerpo de determinada sustancia, de volumen igual a la unidad, al elevar su temperatura un grado Celsius. Por lo general el coeficiente de dilatación volumétrica se emplea para los líquidos, Sin embargo conociendo el coeficiente de dilatación lineal de un sólido, se podrá obtener el coeficiente de dilatación volumétrica el cual será tres veces mayor:

β =3α

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Al conocer el coeficiente de dilatación volumétrica de una sustancia se puede calcular el volumen que tendrá al variar su temperatura con la siguiente fórmula: Vf = V0[1+ β (Tf – T0)] Donde: Vf = volumen final en metros cubico (m 3) V0 = volumen inicial expresada en metros cubico (m 3) β = coeficiente de dilatación de área en 1/ 0C ó 0C-1 Tf = temperatura final medida en grados centígrados ( 0C) T0 = temperatura inicial medida en grados centígrados ( 0C) Enseguida se muestran algunos valores de coeficientes de dilatación volumétrica para diferentes sólidos: SUSTANCIA β ( C- ) Hierro 35.1 x10 Aluminio 67.2 x10-6 Cobre 50.1 x10 Acero 34.5 x10Vidrio 21.9 x10-6 Mercurio 182 x10Glicerina 485 x10 Alcohol etílico 746 x10-6 Petróleo 895 x10-6 Gases a 0 C 1/273 Consideraciones: a) Para sólidos con huecos la dilatación volumétrica se calcula como si fuera un sólido macizo. b) Para obtener el aumento real de un líquido calentado en un recipiente graduado, deberá calcularse el aumento del volumen del recipiente y sumarse el aumento del volumen del líquido. c) El coeficiente de dilatación volumétrica es igual para todos los gases.

2.1.5 DILATACIÓN IRREGULAR DEL AGUA Por regla general, un cuerpo se dilata cuando aumenta su temperatura. El agua al dilatarse se contrae: un gramo de agua a 0 0C ocupa un volumen de 1.00012 cm 3, si se calienta, en lugar de dilatarse se contrae, por lo que a la temperatura de 4 0C el agua tiene un volumen mínimo de 1.0000 cm 3 y alcanza su densidad máxima, si se sigue calentando comienza a aumentar su volumen. Durante el invierno la vida marina conserva la vida gracias a la dilatación irregular del agua. La temperatura baja durante el invierno, cuando el agua de los estanques o lagos llega a 4 0C aumenta su densidad, y debido a ello se va al fondo y es sustituida por otra más caliente estableciéndose así una recirculación hasta que toda el agua tiene una temperatura de 4 0C. Si la temperatura sigue bajando, 79


se enfría la superficie, y se forma una capa de hielo flotante cuya densidad es menor a la del agua. Ello evita el enfriamiento del resto del agua, con lo cual la vida sigue su curso a una temperatura mínima de 4 0C. 2.1.6 CALOR ESPECÍFICO

CAPACIDAD CALORÍFICA La capacidad calorífica se define como la relación existente entre la cantidad de calor que recibe una sustancia y su correspondiente elevación de la temperatura y se representa con la siguiente fórmula: C = ∆Q ∆T Donde: C = Capacidad calorífica (cal/ 0C, kcal/0C, J/0C, J/0K, BTU/0F) ∆Q = Cantidad de calor recibido ∆T = Elevación de la temperatura, se calcula: ∆T = (Tf -T0) Donde: Tf = Temperatura final T0 = Temperatura inicial Entre más alto sea el valor de la capacidad calórica de una sustancia significa que requiere mayor cantidad de calor para elevar su temperatura.

CALOR ESPECÍFICO El calor específico es una propiedad característica de la materia y se define como la capacidad calórica (C) de una sustancia entre su masa (m), así dos trozos de distintas masas de un mismo material tendrán diferente capacidad calórica, pero tendrán el mismo calor específico, pues éste se obtiene dividiendo la capacidad calórica entre sus respectivas masas, por lo tanto el valor del calor específico de una sustancia independientemente de su masa será constante (C/m = constante) y se representa con la siguiente fórmula: Ce = C m ó bien como: Ce = ∆Q m ∆T Donde: Ce = calor específico (cal/g 0C,J/kg0C,, BTU/lb0F) C = capacidad calorífica (cal/0C, kcal/0C, J/0C, J/0K, BTU/0F) ∆Q = cantidad de calor recibido ∆T = elevación de la temperatura m = masa de la sustancia Para obtener la cantidad de calor recibido se despeja la fórmula quedando: ∆Q = m Ce∆T 80


A continuación se dan los valores del calor específico de algunas sustancias. Calores Específicos

Sustancia Agua Hielo Vapor Hierro Cobre Aluminio Plata Vidrio Mercurio Plomo

cal/g C 1.00 0.50 0.48 0.113 0.093 0.217 0.056 0.199 0.033 0.031

J/kg C 4200 2100 2016 475 391 911 235 836 139 130

2.1.7. CALOR CEDIDO Y ABSORBIDO POR LOS CUERPOS LEY DE INTERCAMBIO DE CALOR Esta ley nos dice que en cualquier intercambio de calor efectuado, el calor cedido es igual al absorbido. En otras palabras: Calor perdido = Calor ganado

USO DEL CALORÍMETRO Este aparato es usado para realizar experimentos cuantitativos de intercambio de calor en el laboratorio. El más usual es el de agua, que consta de un recipiente externo de aluminio que en su interior tiene otro del mismo material, aislado con el propósito de evitar pérdidas de calor, tiene además un agitador, un termómetro y una tapa. Con el calorímetro se puede calcular el calor específico de algunas sustancias por medio del llamado método de las mezclas: a) Primero se pone una cantidad de masa de agua dentro del calorímetro, para conocer su temperatura. b) Después se determina la masa de la sustancia de la cual se va a calcular el calor específico y se calienta a una temperatura conocida. c) Para evitar su enfriamiento se introduce inmediatamente en el agua del calorímetro. d) Se agita hasta que el termómetro no varíe. e) Se mide el aumento de temperatura en el agua del calorímetro, se puede calcular cual fue la cantidad de calor cedido al agua y al recipiente interior por la sustancia. f) Se encuentra el calor específico de la sustancia mediante sustitución de datos de la fórmula respectiva.

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ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXION 1.- Cuando al salir de la regadera pisas directamente el suelo, lo sientes frío, luego pisas el tapetito y lo sie ntes “calientito”. ¿El piso tiene menor temperatura que el tapetito? ¿Por qué sientes el piso frío y el tapetito calientito? Explica 2.- ¿Qué forma de transmisión de energía ocurre en el interior del refrigerador? 3.- El aire acondicionado sale por las rejillas instaladas en la parte de arriba de las habitaciones y la calefacción sale por las instaladas en la parte de bajo de las paredes. ¿Cómo se transmite el calor de las calefacciones de las casas? 4.- Se coloca una gota de cera en un extremo de una barra metálica en posición horizontal y se coloca otra gota de cera suspendida de un hilo. Si colocamos un mechero entre ambas gotas, de modo que el mechero éste tocando el otro extremo de la barra metálica y colocada a 20 cm. de ambas gotas. ¿Cómo se transmite el calor a la gota de cera de la barra y cómo a la suspendida del hilo? 5.- Una varilla de bronce une los lados opuestos de un aro del mismo material. Si ambas piezas se calientan uniformemente, ¿conservara el aro su forma circular? ¿por qué? 6.- Una tarde de verano la Comisión Federal de Electricidad programó un cambio de los cables de alta tensión en una cuadra de la ciudad y mandó a un electricista de nuevo ingreso; el electricista se esforzó por hacer que su trabajo luciera muy bien y efectivamente los cables lucían completamente horizontales. Llegó el invierno y el cable se reventó, por fortuna no hubo ninguna desgracia personal pues esto sucedió en la noche cuando nadie circulaba por ahí. ¿Podrías explicar porque se reventaron los cables? ¿Cómo se pudo haber evitado esto?

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7.- Una tuerca de bronce se usa con un tornillo de acero. ¿Cómo será el ajuste si sólo se calienta el tornillo? ¿Cómo será el ajuste si sólo se calienta la tuerca? 8.- ¿Qué tendrá mayor calor específico, 100 g de zinc o 20 kg de éste? 9.- ¿A qué se debe que a las 12:00 del medio día, el agua de mar se siente fresca y la arena de la playa se siente tan caliente que sentimos que nos quema las plantas de los pies, si ambas reciben la misma cantidad de calor del sol?

PROBLEMAS DE DILATACION LINEAL 1.- Una losa de concreto tiene 20 m de largo. ¿Cuál será el incremento en su longitud si la temperatura cambia de 12 0C a 30 0C? Datos: Fórmula: Sustitución y resultado: -6 0 L0= 20m Lf = α L0(Tf – T0) + L0 Lf = (9.5X10 1/ C)(20m(300C -120C) + 20m T0 = 120C Tf = 300C Lf = 20.00342m -6 0 Α concreto = 9.5X10 1/ C Incremento de longitud =? Por lo tanto el incrementó es: 0.00342m ∆L = ? Lf = ? 2.- Un puente de acero de 100 m de largo a 8 0C, aumenta su temperatura a 24 0C. ¿Cuánto medirá su longitud? Datos: Fórmula: Sustitución: L0= 100m Lf = α L0(Tf – T0) + L0 0 T0 = 8 C Tf = 240C Αacero = 11.5X10-6 1/0C Lf =?

Lf = (11.5X10-6 1/0C)(100m(240C -80C) + 100m

Lf = 100.0184m

PROBLEMAS DE DILATACION SUPERFICIAL 1.-Un disco de latón tiene perforado en su centro un agujero de 80 mm de diámetro y se encuentra a una temperatura de 20 0C. Si el disco se coloca en agua hirviente, ¿Cuál será la nueva área del agujero? Datos: Fórmula: Sustitución y resultado: Af = A0(1+ γ(Tf – T0))  = 80 mm = 0.08 m Af = A0(1+ γ(Tf – T0)) Af =0.005025 m2 (1+18X10-61/0C (1000C - 200C)) Af = 0.005032 m2 Convertimos los mm a m pues es la unidad 80mm X 1 m = 0.08 m 1000 mm 0 T0 = 20 C 83


Tf =la temperatura del agua hirviente es de 100 0C A0= Se necesita calcular el área del disco y para ello utilizaremos la fórmula del área de la circunferencia: A0 = (π)(  2) 4 A0 = (π)(.08 m)2 4 A0 = 0.0050265 m2 γ latón = 18X10-61/0C utilizada en el SI 2.-Una lámina de acero tiene un área de 2 m 2 a una temperatura de 8 0C. ¿Cuál será su área final al elevarse su temperatura a 38 0C? Datos: Fórmula: 2 Ao = 2 m Af = A0(1+ γ(Tf – T0)) 0 T0 = 8 C Tf = 380C Sustitución: Af = ? Af =(2 m2)(1+23X10-61/0C (380C – 80C )) Af = 2.00138 m2 γacero= 23X10-61/0C

PROBLEMAS DE DILATACIÓN VOLUMÉTRICA 1.-Una barra de aluminio de 0.01 m 3 a 160C se calienta a 44 0C. Calcular: a) ¿Cuál será el volumen final? b) ¿Cuál fue su dilatación cúbica? Datos: V0 = 0.01 m 3 T0 = 160C Tf =440C β = 67.2 X10-6 1/0C

Fórmula: Vf = V0(1+ β (Tf – T0)) Sustitución y resultado: Vf = 0.01 m 3 (1+ 67.2 X10-6 1/0C (440C – 160C a) Vf =0.010018 m3 La dilatación cúbica se obtiene sacando la diferencia entre el volumen antes de la dilatación y el volumen después de la dilatación y se acostumbre representarla con el símbolo ∆V:

∆V= Vf - V0 ∆V= 0.010018 m3- 0.01 m3 b)∆V= 0.000018 m3

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2.-Un tubo de cobre tiene un volumen de 0.009 m 3 a 100C y se calienta a 200 0C Calcular: a) ¿Cuál es su volumen final? b) ¿Cuál es la dilatación cúbica en m 3 y en litros? Datos: Fórmula: 3 V0 = 0.009 m Vf = V0(1+ β (Tf – T0)) 0 T0 = 10 C Tf =2000C Sustitución y resultado: -6 0 β = 50.1 X10 1/ C Vf =0.009 m3 (1+50.1 X10-6 1/0C Vf = ? (2000C –100C )) a)Vf =0.009085 m3 ∆V = ?

b)Dilatación Cúbica: ∆V= Vf - V0 ∆V=0.009085 m3 – 0.009 m3 ∆V=0.000085 m3 Para obtener la dilatación cúbica en litros convertimos los m 3en litros: 0.000083 m3 X 1000 litros = 0.085 litros 1 m3

PROBLEMAS DE CALOR ESPECÍFICO 1.- ¿Cuál es el calor requerido para aumentar la temperatura de un lingote de acero de 200 Kg de 25 a 400 0C? Datos: Fórmula: ∆T = (Tf —T0) ∆Q = m Ce∆T 0 ∆T = 400 C-25 Sustitución: ∆T =375 0C 0 ∆Q = (200000 gr)( 0.114 Cal/g0C)( 375 Ceacero = 0.114 Cal/g C 0 C) Convertimos los 200 kg. a gramos y ∆Q =8,550,000 Cal. obtenemos: m = 200 kg. = 200000 gr. ∆Q = ¿? 2.-La temperatura inicial de una barra de aluminio de 3 kg es de 25 0C. ¿Cuál será su temperatura final si al ser calentada recibe 12,000 calorías? Datos: Fórmulas: 0 T0 = 25 C ∆Q = m Ce∆T m = 3 kg = 3000 gr ∆T = (Tf —T0) ∆Q = 12000 Cal. Primero debemos despejar ∆T que nos Cealuminio = 0.217 Cal/g0C Tf = ¿? indica la elevación de la temperatura, es decir que tanto se incremento, y nos queda: 85


∆T = ∆Q

m Ce Sustitución: ∆T = 12000 Cal. (3000 gr )( 0.217 Cal/g0C) ∆T = 18.430C Ahora de la fórmula de elevación de temperatura despejamos la temperatura final y nos queda: ∆T = (Tf —T0) Tf = ∆T+ T0 Luego sustituimos los datos: Tf = 18.430C+250C Tf =43.430C PROBLEMAS DE CALOR CEDIDO Y ABSORBIDO POR LOS CUERPOS 1.- ¿Qué masa de cobre a 100 0C debe añadirse a 200 g de agua a 200C, de manera que la temperatura de equilibrio sea de 40 0C? Descarte cualquier otra pérdida o ganancia de calor. Datos: Como el calor perdido por el cobre es Para abreviar utilizaremos los igual al calor absorbido por el agua símbolos químicos del cobre y del tenemos: agua, Cu y H2O respectivamente. ∆QCu=∆QH20 Por lo tanto: mCu = ? 0 ToCu = 100 C mCu CeCu∆T = mH2O CeH2O∆T mH2O = 200 g Ahora despejamos mCu y nos queda: ToH2O = 20 0C 0 Tf = 40 C mCu = mH2O CeH2O∆T 0 CeCu∆T CeCu = 0.093 cal/g C 0 CeH2O = 1 cal/g C Sustituyendo y resolviendo : mCu =(200 g)(1 cal/g0C)(400C-200C) (0.093 cal/g0C)(1000C-400C) mCu =716.84 g 2.- Se agregan 300 g de municiones de acero a 90 0C a una cantidad desconocida de agua inicialmente a 20 0C. ¿Cual es la masa del agua si la temperatura de equilibrio es de 30 0C? Datos: Como el calor perdido por el acero es igual al calor absorbido por el agua mac =300 g 0 Toac = 90 C tenemos: mH2O = ? ∆Qac=∆QH20 0 Por lo tanto: ToH2O = 20 C 86


Tf = 30 0C Ceac = 0.114 cal/g 0C CeH2O = 1 cal/g 0C

mac Ceac∆T = mH2O CeH2O∆T Ahora despejamos mH2O y nos queda: mH2o = mac Ceac∆T CeH2O∆T Sustituyendo y resolviendo : mH20=(300 g)(0.114 cal/g0C)(900C-300C) (1 cal/g0C)(300C-200C) mH2O =205.2 g

5.-ACTIVIDADES DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO PROBLEMAS DE DILATACIÓN LINEAL 1.- Un tubo de trozo de cobre tiene 6 m de longitud a 20 0C. ¿Qué incremento de longitud tendrá cuando se caliente a 80 0C? 2.- ¿Cuál es la longitud de un riel de hierro de 50 m a 40 0C, si desciende la temperatura a 6 0C? ¿Cuánto se contrajo? 3.- Una varilla de bronce tiene 2 m de longitud a 15 0C. ¿A qué temperatura se tendrá que calentar la varilla para que su nueva longitud sea de 2.01 m?

PROBLEMAS DE DILATACIÓN SUPERFICIAL 1.-El diámetro de un agujero en una placa de acero es de 90 mm cuando la temperatura es de 20 0C. ¿Cual es el nuevo diámetro cuando la placa se calienta a la temperatura de 200 0C? 2.-Una tapa redonda de latón tiene un diámetro de 80.01 mm a 28 0C. ¿Hasta qué temperatura debe enfriarse la tapa, si ajustara exactamente en un agujero con un diámetro de 80 mm? 3.- Una compañía de aluminio ha recibido un pedido especial para la fabricación de una lámina con dimensiones de 2m x 3.45m a 0 0C. Determine el área de trabajo disponible en la lámina considerando que se entrega en almacén a una temperatura de 28 0C.

PROBLEMAS DE DILATACIÓN VOLUMÉTRICA 1.- Una barra de aluminio tiene un volumen de 500 cm 3 a 90 0C. Calcular: a) ¿Cuál será su volumen a 20 0C? b) ¿Cuánto disminuyó su volumen? 87


2.- Calcular el volumen final de 5.5 litros de glicerina si se calienta de 4 0C a 25 0C. Determine también la variación de su volumen en cm 3. 3.- Un tanque de hierro de 200 litros de capacidad a 10 0C, se llena totalmente de petróleo, si se incrementa la temperatura de ambos hasta 38 0C, calcular: a) ¿Cuál es la dilatación cúbica del tanque? b) ¿Cuál es la dilatación cúbica del petróleo? c) ¿Cuánto petróleo se derramará en litros y en cm 3 ?

PROBLEMAS DE CALOR ESPECÍFICO 1.- ¿Cuánto calor en calorías se requiere para elevar la temperatura de 200 g de plomo de 20 0C a 100 0C? ¿Cuánto calor se necesita para la misma cantidad de hierro? 2.- ¿Qué cantidad de calor se liberará cuando 40 lb de cobre se enfría de 78 0F a 32 0F? ¿Cuanto calor liberaría la misma cantidad de aluminio? 3.- En una operación de tratamiento térmico, una pieza de cobre caliente se enfría rápidamente en agua (templada). Si la temperatura de la pieza desciende de 400 0C a 30 0C y pierde 80 kcal de calor, ¿cuál es la masa de la pieza de cobre? PROBLEMAS DE CALOR CEDIDO Y ABSORBIDO POR LOS CUERPOS 1.-Si 200 g de acero a 220 0C se añade a 500g de agua a 12 0C, ¿Cuál será la temperatura de equilibrio? Ignore otras transferencias de calor. 2.- ¿Qué cantidad de hierro a 212c 0F debe mezclarse con 10 lb de agua a 68 0F para alcanzar una temperatura de equilibrio de 100 0F? 3.- Un trabajador que necesita conocer la temperatura interior de un horno, retira del mismo una barra de hierro de 2 lb m y lo introduce en un recipiente de aluminio de 1 lbm, lleno parcialmente con 2 lb m de agua. El sistema se aísla de inmediato y la temperatura del agua y del recipiente aumenta a 70 0F hasta la temperatura de equilibrio de 1200F. ¿Cuál era la temperatura del horno?

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7.- ACTIVIDADES DE APOYO Resuelve la siguiente autoevaluación para medir el aprendizaje adquirido en este módulo, regrésese al tema correspondiente cuando no sepa contestar alguna pregunta. Copie las preguntas en su cuaderno y conteste lo que se le pide. 1.- Es una energía en tránsito que fluye de cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura. a) Calor b) Temperatura c) Dilatación 2.- Es una magnitud física que indica que tan caliente o fría esta una sustancia. a) Calor

b) Temperatura

c) Dilatación

3.- La propiedad que tiene la temperatura de un cuerpo al no depender de la cantidad de materia ni de su naturaleza, sino del ambiente en que se encuentra se llama: a) Propiedad intensiva b) Propiedad calórico c) Propiedad extensiva 4.-Se define como la suma de las energías cinética y potencial de todas las moléculas individuales que constituyen un cuerpo o sustancia. a) Energía calórica b) Energía externa c) Energía interna 5.-Es el instrumento que se usa para medir la temperatura. a) Barómetro b) Manómetro c) Termómetro 6.-Cuando se ponen en contacto dos cuerpos que están a distinta temperatura y al paso del tiempo alcanzan la misma temperatura se dice que están en: a) Equilibrio calórico b) Equilibrio c) Equilibrio térmico 7.- Es el más común de los termómetros. a) De alcohol b ) De mercurio

c) De petróleo

8.- En esta escala termométrica el mínimo valor que marca un termómetro es 32 0 a) Fahrenheit b) Celsius c) Kelvin 9.-Este fenómeno se presenta cuando las partículas de un gas o un líquido son calentadas, provocando choques violentos, rebotando a mayores distancias. a) Contracción b) Dilatación c) Refracción 10.- Es el incremento de longitud que presenta una varilla de determinada sustancia, con un largo inicial de un metro, cuando su temperatura se eleva un grado Celsius. a) Coeficiente de b) Coeficiente de c) Coeficiente de dilatación de área dilatación lineal dilatación volumétrica 11.-Es el aumento de las dimensiones de un cuerpo: largo, ancho y alto. a) Dilatación lineal b) Dilatación volumétrica c) Dilatación de área 90


12.- Son las unidades del Sistema Internacional con las que se mide el calor: a) Grados b) Newton c) Joule 13.-Es la relación que existe entre la cantidad de calor que recibe una sustancia y su correspondiente elevación de temperatura: a) Capacidad térmica b) Capacidad calórica c) Calor especifico 14.- Es la cantidad de calor que necesita un gramo de una sustancia para elevar su temperatura un grado centígrado: a) Capacidad térmica b) Masa especifica c) Calor especifico 15.-Identifique el nombre de la siguiente ley: “En cualquier intercambio de calor efectuado, el calor cedido es igual al absorbido” a) Ley del calor b) Ley general de las c) Ley del intercambio del temperaturas calor 16.-Es el instrumento que se utiliza experimentalmente para obtener el calor específico de algunas sustancias: a) Termómetro b) Barómetro c) Calorímetro

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A ctividad experimental No 2 E s calas de temperatura

Objetivo: Comprender el establecimiento de una escala termométrica y los métodos de conversión. Problema: Proponer una escala de temperatura empírica nueva, en grados estudiante (ºE), y determinar su relación con la centígrada. Material y Reactivos 1 Probeta de 100 ml  2 Termómetros de mercurio, (de –10 ºC a 150 ºC)  2 Vasos de precipitado de 250 ml  1 Vaso térmico  1 Mechero Bunsen  1 Tripié  1 Regla de 30 cm  1 Tela de asbesto  Cinta adhesiva  Agua 

Procedimiento Experimental 1ª Parte: 1. Cubrir con cinta adhesiva la escala de uno de los termómetros permitiendo que se vea el mercurio. 2. Introducir los dos termómetros en un vaso de precipitado con hielo (para alcanzar los 0 ºC), esperar que se alcance el equilibrio térmico. Registrar la temperatura en ºC y marcar sobre la cinta adhesiva la lectura del mercurio del otro termómetro. Esta marca será el punto mínimo de la escala nueva. 3. En otro vaso coloca agua (aprox. 120 ml), y calienta hasta el punto de ebullición. Introducir los dos termómetros en el agua hirviendo. Registra la temperatura como se hizo antes. (Observación: ¿en Coahuila alcanza el agua en ebullición los 100 ºC?). A esta temperatura se le considerará el punto superior de la escala nueva. 4. Prepara una mezcla de agua tibia, (aproximadamente 120 ml), con agua caliente, y de la llave, vuelve a medir y señalar las dos temperaturas, registra la temperatura. 5. Una vez concluidas las determinaciones te deben quedar en la cinta tres marcas, despega con cuidado y pégala en una hoja en blanco. 6. Deberás asignar valores a las temperaturas de las marcas en la cinta, se te sugiere que con una regla asignes esos valores, lo más sencillo es que a cada milímetro corresponda un grado ºE, y que a la temperatura del hielo le

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asignes 0º E, (1 mm = 1 ºC, también puede ser que 2 mm = 1ºC). Te deben quedar tres temperaturas en ºE, por ejemplo: 0º E, 82 ºE y 157 ºE. 7. Pregunta: ¿Qué sucederá si asignas un valor diferente a cero a la temperatura del hielo, digamos 30 ºE?

Manejo de Datos 1. Completa la tabla con tus resultados: Puntos Fijos

Termómetro graduado ºC

Termómetro sin graduar ºE

Punto de fusión del hielo Punto de ebullición del agua

2. Establece una relación gráfica entre la escala de ºC y tu escala, ºE. Traza una gráfica de ºE (en el eje de las y) contra ºC (en el eje de las x), deben coincidir los puntos mínimos y máximos, la temperatura del hielo y del agua hirviendo. 3. Utilizando la gráfica podrás ver la correspondencia de los tres puntos. 4. Determina la relación matemática entre las dos escalas, utilizando la ecuación de la recta (geometría analítica): y = mx + b, donde m es la pendiente, cateto opuesto entre adyacente, que en este caso, donde los ceros coinciden, son las temperaturas máximas: temp. máxima ºE / temp. máxima ºC 5. Utilizando la fórmula de conversión, calcula la temperatura de la mezcla (agua tibia), en ºC que corresponde a tu medida en ºE. Llena la siguiente tabla: TA B LA 2 .Temperatura de la mezcla

T(°E) experimental

T(°C) experimental

T(°C) calculada

6. Se considera que un buen resultado debe tener una diferencia de 2 ºC entre el valor experimental y el valor calculado. Con lo anterior, ¿cómo consideras tus resultados experimentales?

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Reflexionar y Responder 1.- El mercurio es tóxico acumulativo y produce hidrargirismo. Su uso debe ser limitado, por lo que sería conveniente usar un termómetro de agua. ¿Por qué este termómetro no se usa?

2.- Los termómetros clínicos son diferentes de los termómetros que utilizamos para medir la temperatura a los sistemas en nuestro laboratorio. En el caso de los termómetros clínicos, antes de efectuar la medición de la temperatura, el mercurio de la columna tiene que estar en el bulbo, lo cual no ocurre con los otros termómetros. ¿Por qué sucede esto?

3.- De la literatura se obtuvieron las siguientes definiciones de temperatura: a) La temperatura es una medida de la intensidad del calor o de qué tan caliente está un sistema independientemente de su tamaño. b) La temperatura de un sistema es una medida del movimiento aleatorio de las moléculas del sistema. Indicar en cada caso el error involucrado y discutir.

4.- ¿En qué valor las escalas Fahrenheit y Celsius son exactamente iguales, pero de signo contrario?

5.- Una aleación de cobre se retira de un horno a 200ºC y se enfría a una temperatura de 20 ºC. a) Expresar el cambio de temperatura en grados Fahrenheit b) ¿Cuál es el cambio en grados Kelvin?

6.- Un termómetro está graduado en una escala arbitraria en la que la temperatura de fusión del agua corresponde a -10° y la de ebullición del agua a 140°. ¿Qué valor corresponderá en esa escala la temperatura de 50°C?

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MÓDULO III: ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO Unidad de competencia: El estudiante resuelve problemas relacionados con los fenómenos eléctricos, magnéticos, y su interacción, a partir del conocimiento de sus conceptos, principios, teorías y leyes, por medio del empleo correcto, crítico y reflexivo de modelos matemáticos; mostrando interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos, en un ambiente de cooperación y respeto hacia sí mismo, sus compañeros y su entorno.

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MAPA CONCEPTUAL CARGA ELÉCTRICA

ELECTROST TICA

LEY DE COULOMB

CAMPO MAGNÉTICO

LEY DE OHM

INTERACCIÓN ENTRE POLOS

IMANES INTENSIDAD DE CORRIENTE.

MAGNETISMO

ELECTRICIDAD

RESISTENCIA

MAGNETISMO TERRESTRE

RIESGOS CORRIENTE ELÉCTRICA

ELECTRODIN MICA

EFECTO JOULE

ELECTROMAGNETISMO

FEM POTENCIAL ELÉCTRICO

CIRCUITOS ELÉCTRICOS

IMPACTO SOCIALY CULTURAL

BENEFICIOS SERIE

DESARROLLO HISTÓRICO

PARALELO

INDUCCIÓN ELECTROMAGNETICA

CAMPO MAGNÉTICO

CORRIENTE DIRECTA

CONDUCTOR RECTO

SOLENOIDE

CORRIENTE ALTERNA

TRANSFORMADOR

ESPIRA

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MOTOR ELÉCTRICO

GENERADOR


3.1 ELECTRICIDAD: ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA. 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- ¿Alguna vez has sentido una molesta chispa eléctrica al tocar algún objeto, o al quitarte el suéter? ¿Sabes cómo se llama a ese efecto hablando propiamente como un fenómeno físico?

2.- ¿A qué se debe que algunas veces las camisas de algodón se adhieren a la camiseta de nylon, o que la falda de algodón se adhiere a las medias de nylon?

3.- ¿Por qué se producen descargas atmosféricas conocidas como “rayos”?


3.1 ELECTRICIDAD: ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA. 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- ¿Alguna vez has sentido una molesta chispa eléctrica al tocar algún objeto, o al quitarte el suéter? ¿Sabes cómo se llama a ese efecto hablando propiamente como un fenómeno físico?

2.- ¿A qué se debe que algunas veces las camisas de algodón se adhieren a la camiseta de nylon, o que la falda de algodón se adhiere a las medias de nylon?

3.- ¿Por qué se producen descargas atmosféricas conocidas como “rayos”?

4.- ¿Qué dispositivo se usa para evitar los daños de un rayo en las construcciones?

5.- ¿Sabes de qué material están hechos los cables que conducen la electricidad en tu casa?

6.- ¿Por qué los cables que conducen electricidad están recubiertos de plástico?

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7.- La electricidad la utilizamos o la percibimos a diario, ¿podrías mencionar tres ejemplos?

8.- ¿Todos los materiales permiten el paso de la corriente eléctrica?

2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN 1.- ¿En qué consiste la electrostática?

2.- ¿Qué estudia la electrodinámica?

3.- ¿Qué es una carga eléctrica?

4.-Investiga qué aportaciones hicieron al estudio de la electricidad los siguientes científicos: -Tales de Mileto, William Gilbert, Otto de Guericke, Pieter Van Musschenbroek, Musschenbroek, Benjamín Franklin, Charles Coulomb, Alessandro Volta, George Ohm, Michael Faraday, James Joule, Joseph Henry, Henrich Lenz, James Maxwell, Nincola Tesla. 5.- Investiga si existen y dónde se localizan las plantas hidroeléctricas, hidroeléctricas, termoeléctricas y nucleoeléctricas de México. Estas investigaciones deberás dárselas a tu asesor para que que sea parte de tu calificación.

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3.- DESARROLLO 3.1.1 ANTECEDENTES HISTÓRICOS DE LA ELECTRICIDAD Y CONCEPTOS DE ELECTROSTÁTICA Y ELECTRODINÁMICA. Las primeras observaciones eléctricas registradas fueron hechas por el filósofo filósofo griego Tales de Mileto, quien vivió hace más de 2600 años. Él observó que al frotar el ámbar (una resina fósil) con una tela de lana, el ámbar adquiría la propiedad de atraer cuerpos pequeños, como pedazos de papel, de plumas o de paja. Pasaron muchos años sin que se progresara en los conocimientos de la electricidad, pues aunque nuestros antepasados observaban fenómenos de origen eléctrico como los rayos en una tormenta y las auroras boreales, los griegos no estudiaron los fenómenos eléctricos experimentando sistemáticamente. sistemáticamente. Fue hasta el siglo XVI que el sabio y físico inglés William Gilbert (1544-1603), quien tiene el crédito de ser el padre de la electricidad y el magnetismo por sus aportaciones hechas para su estudio, encontró que la propiedad de adquirir cargas por contacto no era exclusiva del ámbar, sino que muchas otras sustancias la tenían. Desde entonces se dice que se electrizan, porque en griego la palabra electrón significa ámbar. La vida de Gilbert fue en extremo provechosa para el mundo, pues a partir de sus descubrimientos, el desarrollo de la electricidad ha sido extraordinario y se podría decir que es incesante. En los últimos setenta años el estudio de la electricidad ha evolucionado intensamente por su versatilidad al transformarse en otros tipos de energía. Tan acostumbrados estamos a su utilización que es difícil pensar en vivir cómodamente sin ella, pues la necesitamos para hacer funcionar desde pequeños artefactos domésticos como la plancha, el televisor o una linterna hasta para alimentar enormes motores eléctricos que son activados al suministrarse corrientes eléctricas muy potentes. Actualmente la energía eléctrica se produce en centrales hidroeléctricas, termoeléctricas y nUcleoeléctricas, su funcionamiento contribuye a la electrificación de las poblaciones que gracias a ello ayuda al desarrollo y progreso de las comunidades.

CONCEPTOS DE ELECTRICIDAD, ELECTRICIDAD, ELECTROSTÁTICA, ELECTRODINÁMICA, ELECTROMAGNETISMO: ELECTRICIDAD Es una manifestación de la energía y para su estudio se divide en: ELECTROSTÁTICA Estudia las interacciones entre cargas eléctricas que están en reposo. Cuando una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio. 99


ELECTRODINÁMICA Estudia las cargas eléctricas en movimiento y se fundamenta en el movimiento de los electrones o cargas eléctricas que emplean como soporte un material conductor de la corriente eléctrica para desplazarse. ELECTROMAGNETISMO Estudia la relación entre las corrientes eléctricas y el campo magnético. 3.1.2. CARGA ELÉCTRICA, UNIDAD DE MEDIDA EN EL SISTEMA INTERNACIONAL, INTERACCIÓN ENTRE CARGAS Y FORMAS DE ELECTRIZAR LOS CUERPOS. CARGA ELÉCTRICA La teoría atómica moderna sobre la materia, sostiene que todas las sustancias están formadas por átomos y moléculas. Los átomos están formados por partículas elementales llamadas electrones, protones y neutrones. En el centro del átomo se encuentra el núcleo y es ahí donde se localizan los protones cuya carga eléctrica es positiva (+) y los neutrones con carga eléctrica nula. Los electrones se encuentran girando alrededor del núcleo y tienen carga eléctrica negativa (-). Cuando un átomo pierde electrones queda con carga negativa, si gana electrones queda con carga positiva. Un átomo de materia se encuentra en estado neutro o sin carga debido a que contiene el mismo número de protones en su núcleo que electrones alrededor de él.

Esquema de un átomo y sus partículas elementales. A la capacidad que adquieren los cuerpos de atraer otros objetos después de ser frotados con una prend a de lana o de seda se le conoce como “cargar”. Cuando dos sustancias o cuerpos diferentes se frotan entre sí una de ellas pierde electrones, quedando con una carga eléctrica positiva y la otra sustancia gana electrones quedando quedando con carga carga eléctrica negativa, negativa, tal es el caso caso de frotar el pelo con un peine o un globo, el pelo pierde electrones y el peine los gana, a la carga eléctrica producida por este desequilibrio se le denomina electricidad estática o bien decimos que el pelo se electriza, este ejemplo nos permite comprender mejor la Ley de la Conservación Conservación de la Carga que que dice: “La carga eléctrica total del Universo es una magnitud constante, no se crea ni se destruye”. 100


Cuando un cuerpo se electriza por fricción la carga no se crea, pues siempre ha estado ahí, ni se producen nuevos electrones, solo pasan de un cuerpo a otro. La electrización de los cuerpos puede comprobarse a través de fenómenos que se observan cotidianamente, por ejemplo cuando tocas algún objeto metálico se siente un toque eléctrico, esto es porque el objeto está cargado eléctricamente y al tocarlo se va la carga eléctrica a tierra a través de nuestro cuerpo.

INTERACCIÓN ENTRE CARGAS Cuando los cuerpos se electrizan, adquieren cargas eléctricas que pueden ser de dos tipos positivas o negativas, dependiendo del material con que estén hechos los cuerpos. Veamos por medio de un experimento como es la interacción entre dos cuerpos cargados eléctricamente. Un péndulo eléctrico es una esfera de unicel o corcho colgada por medio de un hilo a algún soporte, lo utilizaremos para hacer nuestro experimento. Si frotamos una barra de plástico con un trozo de lana y la acercamos a la esfera de unicel del péndulo, la barra atraerá a la esfera, después de permanecer un instante en contacto con la barra, la esfera será repelida por la barra como se observa en la figura siguiente:

Primero la esfera es atraída por la barra, después es repelida. Parte de la carga se ha transferido de la barra a la esfera y los dos objetos quedan cargados de igual forma. Ahora si hacemos el mismo experimento, pero en lugar de la varilla de plástico usamos una varilla de vidrio y la frotamos con un trozo de seda, observaremos los mismos resultados al acercar la varilla a la esfera. Pero si ahora cargamos la esfera de un péndulo eléctrico con la barra de plástico y otra esfera de otro péndulo eléctrico con la barra de vidrio y acercamos ambas esferas de unicel, observaremos que existe una atracción entre ellas, por lo que podemos concluir que las cargas eléctricas producidas por las barras de plástico y de vidrio son opuestas. 101


Se ha demostrado que todos los materiales electrificados se pueden dividir en dos grupos, los que tienen una carga como la que produjo la varilla de vidrio y los que tienen una carga como la que produjo la varilla de plástico. Por convención se estableció que los que se comportan como el primer grupo tienen carga positiva (+) y los que se comportan como el segundo grupo tiene carga negativa (-) y basados en esto podemos enunciar la primera ley de la electrostática: “Las cargas del mismo signo se repelen y las cargas de signo contrario se atraen”

UNIDADES DE MEDIDA DE LA CARGA ELÉCTRICA Utilizaremos unidades del Sistema Internacional por ser el sistema más práctico para el estudio de la electricidad, en este sistema la unidad de carga se expresa en coulombs (C). Por definición: Un coulomb es la carga transferida en un segundo a través de cualquier sección transversal de un conductor, mediante una corriente constante de un ampere. Comparando la carga de un coulomb con la carga de un electrón tenemos: 1 C = 6.25 X10 18 electrones La carga de un electrón expresada en coulombs es: 1 e = -1.6 X 10 -19 C

Otra unidad de medida de las cargas es el microcoulomb (μC), y su equivalencia en coulombs es: 1 μC = 1 X 10-6 C FORMAS DE ELECTRIZAR A LOS CUERPOS ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO El frotamiento es una forma sencilla de electrizar un cuerpo, los cuerpos cargados por frotamiento producen pequeñas chispas eléctricas y lo puedes experimentar cuando después de caminar sobre una alfombra tocas un cuerpo metálico, o cuando te quitas un suéter de lana. Estos fenómenos se presentan en climas secos, ya que las cargas electrostáticas se escapan si el clima ésta húmedo.

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Electrización por contacto: Este fenómeno sucede cuando un cuerpo saturado de electrones cede algunos a otro cuerpo con el cual tiene contacto. Si un cuerpo carente de electrones o con carga eléctrica positiva, se une con otro, atraerá parte de los electrones de dicho cuerpo. Un ejemplo de electrización por contacto sucede cuando frotamos un globo inflado en nuestro cabello seco, de esta manera quedará cargado eléctricamente o bien saturado de electrones, al ponerlo en contacto con la pared vemos que el globo se adhiere durante un tiempo, pues se produce un intercambio de electrones entre el globo y la pared, y el globo se desprenderá una vez que termine este intercambio y ambos queden neutralizados.

ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN Este fenómeno de electrización se presenta cuando un cuerpo se carga eléctricamente al acercarse a otro ya electrizado. Esto se debe al fenómeno de polarización, siempre que se acerca un cuerpo cargado a otro que no lo éste, éste último se polariza, es decir, se carga de electricidad, principalmente en sus extremos, el más cercano con signo contrario al cuerpo inductor y el más alejado con el mismo signo. Si se aleja el cuerpo inductor, la electrización y la polarización desaparecen. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente. Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

3.1.3. MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES, ELECTROSCOPIO Y JAULA DE FARADAY. MATERIALES CONDUCTORES Y AISLANTES Algunos materiales permiten mejor el paso de la corriente eléctrica, en general los metales, a estos materiales se les conoce como conductores. Estos materiales se electrizan en toda su superficie, aunque sólo se frote un punto de la misma. No solo los metales son conductores de la electricidad; sustancias como el agua (bajo ciertas condiciones), soluciones de ácidos, bases y sales disueltas en agua, y 103


el cuerpo humano también son conductores de la electricidad. El aire conduce la electricidad aunque no es tan buen conductor como los metales; esta capacidad de conducir la electricidad puede hacerlo muy peligroso. Por ejemplo, en una tormenta eléctrica las cargas pueden pasar de las nubes a la tierra debido a la capacidad que tiene el aire húmedo de conducir la electricidad. Los materiales que impiden el paso de la corriente eléctrica se llaman aislantes o dieléctricos, estos materiales sólo se electrizan en los puntos donde hacen contacto con un cuerpo cargado, o bien en la parte frotada, es decir mantienen las cargas eléctricas en la parte donde se forman o se reciben, sin transmitirlas al resto del material. Algunos ejemplos de materiales aislantes son: la madera, el vidrio, el caucho, las resinas y los plásticos, la porcelana, la seda, la mica y el papel. Entre conductores y aislantes existen otros materiales intermedios llamados semiconductores, como el carbón, el germanio y el silicio contaminados con otros elementos, y los gases húmedos. La facilidad con la que un semiconductor transporta carga puede variar mucho a causa de la adición de impurezas o por un cambio de la temperatura. Existen materiales que conducen la electricidad sin resistencia; reciben el nombre de superconductores; generalmente son aleaciones de distintos materiales, pero para que esa propiedad se manifieste, la temperatura debe ser menor a -150 0C. Para mantener esa temperatura en los materiales se utilizan refrigerantes como helio o nitrógeno líquidos. Con los superconductores se podría transportar electricidad sin pérdidas de energía.

ELECTROSCOPIO Experimentalmente podemos detectar la presencia de cargas de un cuerpo e identificar el signo de la carga con un electroscopio. Este aparato está formado por un recipiente de vidrio y un tapón aislador atravesado por una varilla metálica, rematada en su parte superior por una esferilla también metálica; en su parte inferior tiene dos laminillas, las cuales pueden ser de oro, aluminio o de cualquier otro metal. Si se acerca a la esferilla un cuerpo con carga, la varilla y las laminillas se cargarán por inducción y ya que dos cuerpos con carga de igual signo se rechazan, se separará una laminilla de la otra. Para conocer el signo de la electricidad de un cuerpo, primero se carga el electroscopio con cargas de signo conocido; entonces se acerca a la esferilla el cuerpo del cual se quiere identificar el signo de la carga, y si ésta es igual, las laminillas se separarán aún más, pero se juntan si son de signo contrario. Electroscopios de laminillas

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JAULA DE FARADAY El físico inglés Michael Faraday (1791-1867) demostró que en un cuerpo electrizado que se encuentra aislado, las cargas siempre se acumulan en su superficie, la concentración de la carga depende de la forma de dicha superficie; las cargas se acumulan más donde es mayor la curvatura de la superficie (hablando de cuerpos esféricos). Si el conductor es de forma cúbica, la mayor parte de las cargas se localizan en los vértices o aristas del cubo. Faraday construyó una gran caja metálica aislada por dentro y se metió en ella, después cargó la superficie exterior eléctricamente con un generador electrostático, así demostró que dentro de la caja aislada la carga de la superficie no influyó en su persona ni en otros aparatos que llevaba consigo. Esta propiedad de los materiales conductores se ha aprovechado para la protección tanto de personas y de componentes internos de algunos aparatos eléctricos. Cualquier cuerpo que éste rodeado por una lámina metálica o una tela metálica tupida, no recibe acciones eléctricas del exterior. Algunas partes de los aparatos del televisor, de la computadora, etc., se cubren con capuchones de lámina metálica con la que se evita la influencia de los aparatos que se encuentran cerca de ellos; un automóvil con techo metálico protege a sus ocupantes de cualquier descarga eléctrica, inclusive los rayos atmosféricos.

Experimento realizado en una jaula de Faraday

3.1.4 LEY DE COULOMB, CAMPO ELÉCTRICO Y SU INTENSIDAD. LEY DE COULOMB Hasta ahora hemos estudiado que entre los cuerpos cagados de electricidad se ejercen fuerzas de atracción o de repulsión, sin que entre ellos exista algo de material que las transmita, en este tema estudiáremos de que dependen esas fuerzas de atracción y de repulsión y los valores que pueden tener cada una de las fuerzas. Cuando se trata de cuerpos cuyas dimensiones son pequeñas, en comparación de las distancias que los separan, para facilitar el estudio, se puede considerar que las cargas de los cuerpos están concentradas en el punto central del cuerpo, designándose entonces con el nombre de cargas punto o cargas puntuales . El científico Charles Coulomb (1736-1806) estudió las leyes que rigen la atracción y repulsión de dos cargas eléctricas puntuales en reposo. Para ello inventó la balanza de torsión, ésta medía la fuerza de atracción o de repulsión por medio del 105


retorcimiento de un alambre de plata rígido. Colocó una pequeña esfera cargada a diversas distancias de otra también cargada, así logró medir la fuerza de atracción o repulsión según la torsión observada en la balanza. Coulomb observó que la fuerza de atracción entre dos cuerpos es menor al aumentar la distancia que los separa, también descubrió que la fuerza de atracción o de repulsión aumenta de modo proporcional al producto de las cargas de los cuerpos electrizados.

De acuerdo con sus observaciones, Coulomb estableció la ley que lleva su nombre y dice: “La fuerza de atracción o de repulsión eléctrica entre dos cuerpos cargados o cargas puntuales, es directamente proporcional al producto de sus cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que los separa”

Esta ley se puede resumir con la siguiente ecuación: F = k q1q2 r 2 El sistema práctico para el estudio de la electricidad es el Sistema Internacional por lo tanto: F = fuerza de atracción o de repulsión entre las cargas (N) K = constante de proporcionalidad con valor de 9 X10 9 Nm2/C2 q1= carga eléctrica de uno de los cuerpos (C) q2= carga eléctrica del otro cuerpo (C) r = distancia entre los cuerpos (m) La unidad elemental para medir una carga eléctrica es el electrón, pero como es una unidad muy pequeña se utilizan unidades prácticas de acuerdo con el sistema de unidades empleado, enseguida se dan algunas equivalencias: 1 coulomb = 1C = 6.24 X10 18 electrones Como el coulomb es una unidad de carga eléctrica muy grande, por lo tanto es común utilizar submúltiplos: 1 milicoulomb (mC) = 1 X10 -3 C 106


1 microcoulomb (μC) = 1 X10-6 C 1 nanocoulomb (nC) = 1 X 10 -9 C La carga de un electrón y un protón expresada en coulombs es la siguiente: 1 electrón = -1.6 X 10 -19 C 1 protón = 1.6 X 10 -19 C

PERMITIVIDAD RELATIVA La relación que existe entre la fuerza eléctrica de dos cargas en el vacío y la fuerza eléctrica de estas mismas cargas sumergidas en algún medio o sustancia aislante, recibe el nombre de permitividad o coeficiente dieléctrico ( r ), de dicho medio o sustancia; por tanto: r 

F F ´

Donde: r = permitividad relativa del medio (adimensional) F = valor de la fuerza eléctrica entre las mismas cargas colocadas en el medio en newtons (N) Permitividad relativa de algunos medios Permitividad relativa ( r ) Medio Aislador Vacío 1.0000 Aire 1.0005 Gasolina 2.35 Aceite 2.8 Vidrio 4.7 Mica 5.6 Glicerina 45 Agua 80.5

CAMPO ELÉCTRICO Alrededor de los cuerpos cargados se presentan campos de fuerzas, debidos a su carga eléctrica; éstos se conocen como campos eléctricos. El campo eléctrico es invisible, pero su fuerza ejerce acciones sobre los cuerpos cargados y por ello es fácil detectar su presencia, así como medir su intensidad. Como el campo eléctrico no se puede ver Faraday introdujo el concepto de líneas de fuerza, para poder representarlo gráficamente.

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En el dibujo de arriba se muestra una configuración del campo eléctrico producido por una carga puntual positiva, las líneas salen radicalmente de la carga. También se muestra una carga puntual negativa, observe que las líneas de fuerza llegan de modo radial a la carga. Cuando el campo eléctrico es más intenso las líneas de fuerza se dibujan más juntas entre sí, y se dibujan más separadas al disminuir la intensidad.

El dibujo de arriba muestra como se representa gráficamente la configuración del campo eléctrico producida por dos cargas de diferente signo.

El dibujo de arriba muestra la configuración del campo eléctrico producido por dos cargas del mismo signo.

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO Para estudiar los campos eléctricos se puede usar una carga eléctrica, que se llama carga de prueba. Esta debe ser muy chica, tanto, que su propio campo sea tan pequeño y tan débil, que no afecte el campo en estudio. Por convención, se considera que la carga de prueba es positiva. Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que en ese punto del espacio existe un campo eléctrico cuya intensidad E es igual a la relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha carga de prueba q. Por lo tanto: E=F q Donde: E = intensidad de campo eléctrico medido en N/C 108


F = fuerza que recibe la carga de prueba en newtons (N) q = valor de la carga de prueba medida en coulombs (C) La intensidad de campo eléctrico es una magnitud vectorial, los campos eléctricos se suman vectorialmente.

a) La dirección y el sentido de la b) Si la carga es negativa, la intensidad intensidad del campo eléctrico E en del campo eléctrico E está dirigida hacia cualquier punto del espacio que rodea a adentro una carga positiva están dirigidos radialmente hacia afuera de la carga. Cuando una carga positiva está situada en un campo eléctrico, su movimiento siempre es en la misma dirección del campo. Una carga negativa, en cambio, se moverá siempre en la dirección contraria al campo eléctrico. Si deseamos calcular la intensidad del campo eléctrico E a una determinada distancia r de una carga q colocada a dicha distancia recibe una fuerza F debido a q y de acuerdo con la Ley de Coulomb, su valor se calcula con la siguiente fórmula: E = kq r 2 Cuando se tiene la presencia de más de una carga eléctrica, la intensidad del campo eléctrico en un punto P, será la resultante de la suma vectorial de cada uno de los campos producidos por cada carga.

ELECTRODINÁMICA 3.1.5. POTENCIAL ELÉCTRICO Y DIFERENCIA DE POTENCIAL O VOLTAJE, CORRIENTE ELÉCTRICA, RESISTENCIA Y LEY DE OHM Potencial Eléctrico Una carga eléctrica situada dentro de un campo eléctrico tendrá una energía potencial eléctrica, pues la fuerza que ejerce el campo es capaz de realizar un trabajo al mover la carga.

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Un potencial es positivo si al conectar un cuerpo a tierra, por medio de un conductor eléctrico, los electrones fluyen desde el suelo al cuerpo; y será negativo si al conectarlo a tierra los electrones fluyen en dirección opuesta. El potencial eléctrico V en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo T que se necesita realizar para transportar a la unidad de carga positiva q desde el potencial cero hasta el punto considerado. Por lo tanto: V=T q Donde: V = potencial eléctrico en el punto considerado medido en volts (V) T = trabajo realizado en joules (J) q = carga transportada en coulombs ( C ) El potencial eléctrico es una magnitud escalar, y se define también como la energía potencial que tiene la unidad de carga eléctrica positiva en un punto determinado, y se representa: V = Ep q Donde: V = potencial eléctrico en volts (V) Ep = energía potencial en joules (J) q = carga eléctrica en coulombs (C)

POTENCIAL ELÉCTRICO EN UN PUNTO DE UNA CARGA La energía potencial es igual al trabajo realizado en contra de las fuerzas eléctricas cuando se mueve una carga q desde el infinito hasta un punto determinado. El potencial eléctrico V de una carga q es el mismo en todos los puntos que se encuentren a la misma distancia de su centro. Si se unen imaginariamente todos los puntos que tiene el mismo potencial en una carga puntual o de un cuerpo esférico cargado, se verán como esferas concéntricas como se muestra en la figura de abajo. No se necesita realizar ningún trabajo eléctrico para llevar una carga de un punto a otro del mismo círculo concéntrico llamado también superficie equipotencial. Alrededor de un cuerpo electrizado existen tantos círculos concéntricos (superficies equipotenciales) como potenciales eléctricos diferentes se consideren.

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El potencial eléctrico en un punto de una carga q se representa: V = kQ r Donde: V = potencial eléctrico en volts (V) k = constante de proporcionalidad con valor de 9 X10 9 Nm2/C2 Q = carga eléctrica en coulombs r = distancia entre el potencial eléctrico y la carga Q DIFERENCIA DE POTENCIAL Cuando tenemos dos cuerpos, uno con más carga que otro, y los conectamos mediante un conductor, fluirá la carga eléctrica del cuerpo con más carga al que tiene menos carga. Esta carga fluirá en forma de corriente. Cuando esto sucede se dice que hay una diferencia de potencial entre los cuerpos. La diferencia de potencial es lo que impulsa a las cargas a través del circuito. Al liberar una carga positiva en un campo eléctrico ésta se moverá hacia regiones de menor potencial eléctrico, si se liberan cargas negativas éstas se moverán hacia regiones de mayor potencial eléctrico. De acuerdo a esto sólo cuando hay diferencia de potencial eléctrico para cargas libres entre dos puntos, habrá corriente eléctrica. La diferencia de Potencial entre dos puntos cualesquiera A y B es igual al trabajo por unidad de carga positiva que realizan fuerzas eléctricas al mover una carga de prueba desde el punto A al B. Por tanto: V AB =T AB q Donde: V AB = diferencia de Potencial entre los puntos A Y B determinada en volts (V) T AB = trabajo sobre una carga de prueba q que se desplaza de A a B calculado en joules (J) q = carga de prueba desplazada de A a B medida en coulombs (C) La diferencia de potencial entre dos puntos se puede calcular si se conoce el potencial de cada uno y se obtiene su diferencia. El trabajo realizado por la fuerza eléctrica para que la carga se mueva del punto A al B es independiente de la trayectoria seguida por la carga durante su desplazamiento. La diferencia de potencial tiene muchas aplicaciones en la vida práctica, por ejemplo la diferencia de potencial entre los polos de muchas pilas pequeñas es de aproximadamente 1.5 V; la de algunas baterías es de 9 V; en los acumuladores de los automóviles, generalmente es de 12 V; entre los dos alambres de las instalaciones eléctricas de nuestras casas es de 110 V; entre dos de los cables que transmiten la energía eléctrica a grandes distancias es más de 100 000 V.

FUERZA ELECTROMOTRIZ Para que la corriente eléctrica fluya continuamente por un conductor se utilizan las pilas y los generadores eléctricos. Una pila transforma la energía química en 111


eléctrica; un generador transforma la energía mecánica en eléctrica. Una pila o un generador llevan a los electrones de un punto de menor potencia a otro mayor, con lo cual se produce una diferencia de potencial permanente entre los electrones que se encuentran en cada extremo de sus terminales. Esta diferencia impulsa la corriente eléctrica a través del conductor, por tal motivo se le denomina fuerza electromotriz de la pila o del generador. La fuerza electromotriz (fem), mide la cantidad de energía que proporciona un elemento generador de corriente eléctrica. Por tanto, la fuerza electromotriz aplicada en un circuito eléctrico es igual a la energía suministrada para que la unidad de carga recorra el circuito completo.

CORRIENTE ELÉCTRICA Los aparatos de uso común, tanto de nuestras casas, o de comercios y de centros de diversión, prácticamente todos dependen de la corriente eléctrica. Los aparatos funcionan cuando se les transmite la corriente eléctrica. Es muy conveniente saber qué es la corriente eléctrica, cómo se produce, no solo para conocer esta parte de la Física, sino también para aplicar estos conocimientos a la práctica diaria, y conocer mejor porque funcionan los aparatos eléctricos con los que se está en contacto. La corriente eléctrica es un movimiento de las cargas negativas a través de un conductor. Los protones están fuertemente unidos al núcleo del átomo, son los electrones los que tienen la libertad de moverse en un material conductor. La corriente eléctrica se origina por el movimiento o flujo de electrones a través de un conductor, producido por una diferencia de potencial, es decir las cargas eléctricas se moverán siempre del cuerpo que tiene mayor potencial al de menor potencial hasta que el potencial de ambos cuerpos sea el mismo, en ese momento la corriente eléctrica cesa, es necesario utilizar un generador de energía eléctrica para que la corriente eléctrica se mantenga, aunque el generador consuma cierta cantidad de energía. Se forma así lo que se llama circuito eléctrico. Los electrones circulan de una terminal negativa a una positiva. Es por lo anteriormente explicado, que para que un aparato eléctrico funcione es necesario conectarlo a los enchufes de las instalaciones eléctricas de nuestra casa, o bien a una pila, lo que provoca el movimiento de las cargas eléctricas a través de ellos y los hace funcionar. Por convención, pero de manera errónea se dice que el sentido de la corriente es de polo positivo al negativo. La corriente eléctrica se transmite por los conductores a la velocidad de la luz: 300 mil km/s. Sin embargo los electrones no se desplazan a la misma velocidad, en general el promedio es de 10 cm/s. Esto se explica porque cada electrón obliga al siguiente a moverse en forma instantánea. Existen dos tipos de corriente: la continua y la alterna. CORRIENTE CONTINUA La corriente continua o directa se origina cuando el campo eléctrico permanece constante, esto provoca que los electrones se muevan siempre en el mismo sentido, de negativo a positivo.

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La corriente continua es empleada en infinidad de aplicaciones y aparatos de pequeño voltaje alimentados con baterías (generalmente recargables) que suministran directamente corriente continua.

CORRIENTE ALTERNA. La corriente alterna se origina cuando el campo eléctrico cambia alternativamente de sentido, por lo que los electrones oscilan a uno y a otro lado del conductor. Hoy, el uso de la corriente alterna podemos decir que es la que mayormente se usa en el mundo, aunque en algunos lugares, se sigue usando corriente directa. La razón de esta diferencia en el uso, se debe a que se aplica lo mismo que la corriente directa, con la ventaja que producirla y llevarla hasta los hogares es más barato y fácil, otra de las razones es que la corriente alterna se puede aplicar donde no lo podemos hacer con la corriente continua o directa(CC) la corriente alterna (CA) no es adecuada para algunas aplicaciones, solamente se puede usar corriente directa, por ejemplo los circuitos de los equipos electrónicos no funcionarían con corriente alterna, por lo mismo se hace la conversión a corriente directa por medio de rectificadores y filtros.

Tras el descubrimiento de Thomas Alva Edison de la generación de electricidad en las postrimerías del siglo XIX, la corriente continua comenzó a emplearse para la transmisión de la energía eléctrica. Ya en el siglo XX este uso decayó en favor de la corriente alterna por sus menores pérdidas en la transmisión a largas distancias.

INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA Es la rapidez del flujo de carga que pasa por un punto P en un conductor eléctrico, o bien, es la rapidez con la que la carga eléctrica fluye a través de un conductor en la unidad de tiempo. Por lo tanto: I=q t Donde: I = intensidad de al corriente eléctrica en C/s = ampere = A q = carga eléctrica que pasa por cada sección de un conductor en coulombs ( C ) t = tiempo que tarda en pasar la carga q en segundos (s) La unidad empleada en el Sistema Internacional para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el ampere (A). Para medir la intensidad de la corriente eléctrica se utiliza un aparato llamado amperímetro.

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En el caso de la electricidad, la utilización de aparatos para medir es de suma importancia ya que la electricidad no se puede ver, sólo se puede detectar y cuantificar por los efectos que produce. Amperímetro

RESISTENCIA ELÉCTRICA Por definición, la resistencia eléctrica es la oposición que presenta un material conductor al paso de la corriente eléctrica o flujo de electrones. La energía eléctrica circula con facilidad en los metales, los cuales son utilizados para construir circuitos para conducir la energía eléctrica, a estos metales se les llama conductores. A los materiales que presentan dificultad para conducir la energía eléctrica se les llama materiales aislantes o dieléctricos, son ejemplo de estos materiales el hule, la madera, el plástico, el vidrio, la porcelana, la seda y el corcho. La resistencia eléctrica es fija para una gran número de materiales específicos, de tamaño, forma y temperaturas conocidos y es independiente de la corriente que pasa a través de ellos. LEY DE OHM George Simon Ohm (1789-1854) fue el primero en estudiar cuantitativamente los efectos de la resistencia para limitar el flujo de corriente eléctrica, en 1826. Ohm descubrió que para un resistor dado, a una temperatura particular, la corriente es directamente proporcional al voltaje aplicado. Haciendo una analogía con la rapidez del flujo del agua entre dos puntos, esta rapidez dependerá de la diferencia de alturas que hay entre los dos puntos. Al igual que el agua, la rapidez del flujo de la corriente eléctrica entre dos puntos depende de la diferencia de potencial que existe entre ellos. Esta proporcionalidad se conoce como la Ley de Ohm: “La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un

circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicado a sus extremos e inversamente proporcional a la resistencia del conductor”

Matemáticamente, la resistencia R de un conductor dado se puede calcular a partir de: R 

V I

o bien V = IR

Donde: V = diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor en volts (V) 114


R = resistencia del conductor en ohms (  ) I = intensidad de la corriente que circula por el conductor en amperes (A) Cuanto mayor sea la resistencia R, tanto menor será la corriente I para un voltaje dado V. La unidad de medición de la resistencia es el ohm, cuyo símbolo es la letra griega mayúscula omega (  ). 1 =

1V 1 A

Una resistencia de un ohm permitirá una corriente de un ampere cuando se aplica a sus terminales una diferencia de potencial de un volt.

3.1.6 CONCEPTO DE PILA, CIRCUITOS ELÉCTRICOS CON PILAS Y RESISTENCIAS EN SERIE Y PARALELO CONCEPTO DE PILA Los electrolitos son soluciones capaces de conducir la corriente eléctrica. Tal es el caso de ácidos, bases y sales que al ser diluidos en agua se disocian en sus átomos constituyentes los cuales reciben el nombre de iones.

Pila

Batería

CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito es un sistema en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria completa, es decir cerrada, debido a una diferencia de potencial. En cualquier circuito eléctrico por donde se desplazan los electrones a través de una trayectoria cerrada, existen los siguientes elementos fundamentales: a) Voltaje (V) b) Corriente (I) c) Resistencia (R) Cuando la corriente eléctrica circula por todo el sistema, se dice que el circuito está abierto, cuando no circula se dice que el circuito está cerrado. Para abrir o cerrar un circuito se utiliza un interruptor. Ver ejemplo:

115


A continuación se muestra un esquema donde está representado gráficamente un circuito eléctrico, el foco representa la resistencia, la pila es la diferencia de potencial aplicado a los extremos del conductor por donde circula una intensidad de corriente.

Enseguida se muestra otra forma de representar un circuito eléctrico, es decir con símbolos, esta será la forma en que representaremos los circuitos eléctricos para su estudio.

Los circuitos eléctricos pueden estar conectados en serie, paralelo o en forma mixta. Ver ejemplos:

Circuito en serie

Circuito en paralelo 116


Ejemplos de circuitos representados con símbolos:

CONEXIÓN DE RESISTENCIA EN SERIE Cuando las resistencias se conectan una después de la otra, decimos que las resistencias están conectadas en serie, por esta razón toda la corriente eléctrica, es decir, la intensidad de corriente (I), debe circular a través de cada uno de los elementos, de tal forma que, si se abre el circuito en cualquier parte, se interrumpe totalmente la corriente. La resistencia equivalente del circuito es la resistencia de una sola resistencia (R T) imaginaria que equivale a la suma del conjunto de resistencias conectadas, por ejemplo si tenemos tres resistencias conectadas en serie, la resistencia equivalente en el circuito la podemos representar con la siguiente expresión: RT = R1 + R2 + R3 Debido a que las tres resistencias están conectadas en serie, la diferencia de potencial total (V) es igual a la suma de las diferencias de potencial que tienen las tres resistencias V1, V2, V3; y se representa de la siguiente forma: VT = V1+V2+V3 La intensidad de corriente (I) que pasa por todas las resistencias conectadas es la misma, ahora si aplicamos la Ley de Ohm a cada una de las resistencias, se tiene: I 

V 1 R1

, I 

V 2 R2

, I 

V 3 R3

Despejando la diferencia de potencial (V) para cada una de las resistencias: V 1  IR1 V 2  IR2

V 3



IR3

Calculando la diferencia de potencial (V) total del circuito tenemos: V T  IR1  IR2  IR3

De acuerdo con la Ley de Ohm, la resistencia equivalente se obtiene dividiendo la diferencia de potencial total entre la intensidad de la corriente, o sea: 117


RT



RT



IR1  IR2  IR3 I

ó bien:

V T I

Este tipo de circuitos apenas se usa ya que presenta dos grandes inconvenientes: 1) Si se estropea una resistencia, se interrumpe todo el circuito, la solución sería compleja y cara. 2) El voltaje de cada resistencia se va sumando por lo que al principio del circuito se pueden presentar voltajes muy elevados. En la práctica los circuitos en serie se usan por ejemplo para regular la intensidad de una lámpara, o el sonido de un altavoz, intercalando en el circuito una resistencia variable llamada potenciómetro antes del receptor. Otro ejemplo sería los focos de navidad que tienen un solo cable.

CONEXIÓN DE RESISTENCIA EN PARALELO Cuando las resistencias se conectan en paralelo las terminales de cada una se encuentran unidas a una conexión común proveniente de la fuente de energía o voltaje (V); de tal manera que si una resistencia es desconectada las demás seguirán funcionando, pues la corriente eléctrica no se interrumpirá en ellas. Cuando las resistencias se encuentran conectadas en paralelo, la intensidad de la corriente (I) que pasa por el circuito, es igual a la suma de las intensidades que pasan por cada resistencia es decir, la corriente eléctrica se divide entre los ramales del circuito: I T

 I 1  I 2 

I 3

Respecto al voltaje (V) aplicado a cada resistencia, su valor es igual para cada una de ellas y es el mismo que se le suministra al circuito, toda vez que las terminales de cada resistencia están conectadas directamente a la conexión común de la fuente de energía (V). De donde: V T  V 1  V 2  V 3

De acuerdo con la Ley de Ohm sabemos que: I 

Y como : I T  I  I 1

2



V R

I 3 , entonces: I 1



I 2



V R1 V R2

118


I 3



V R3

Por lo tanto la intensidad total del circuito será: I T 

V R1



V R2



V R3

Para calcular la resistencia equivalente en el circuito, aplicaremos la Ley de Ohm y obtendremos: I 

V R

Sustituyendo en la ecuación anterior el valor de la intensidad de la corriente total, queda: V R



V R1



V R2



V R3

Simplificando tenemos:  1 1 1   V     R  R1 R2 R3  V

Eliminando algebraicamente V nos queda: 1 R



1 R1



1 R2



1 R3

En conclusión, cuando se conectan en paralelo dos o más resistencias, el reciproco de la resistencia equivalente del circuito es igual a la suma de los recíprocos de las resistencias de conectadas.

3.1.7 POTENCIA ELÉCTRICA Y EL EFECTO JOULE POTENCIA ELÉCTRICA La diferencia de potencial provoca que las cargas eléctricas se muevan y por lo tanto es la causante de la corriente eléctrica, esta diferencia de potencial corresponde al trabajo que se necesita para que ese movimiento se realice, siendo igual a la energía que se consume por cada unidad de carga movida. Por definición: La potencia eléctrica es la rapidez con que se realiza un trabajo; también se interpreta como la energía que consume una máquina o cualquier dispositivo eléctrico en un segundo. Matemáticamente la Potencia Eléctrica se representa: P  VI

Donde: P = potencia eléctrica en watts (W) V = diferencia de potencial en volts (V) I = intensidad de la corriente en amperes (A) Como se mencionó anteriormente la potencia eléctrica también es la energía que consume una maquina o cualquier dispositivo eléctrico en un segundo, por l o tanto: P 

T t 119


Donde: T = trabajo realizado igual a la energía eléctrica consumida en watts -segundo en el Sistema Internacional (SI). Prácticamente se mide en kW-h P = potencia Eléctrica de la máquina o dispositivo eléctrico en watts (W) t = tiempo que dura funcionando la máquina o el dispositivo eléctrico en segundos (s). Una fórmula más para calcular la Potencia Eléctrica la cual se deduce de las dos anteriores: Como P  VI y P 

T t

sustituimos el valor de P de la segunda ecuación en P de la

primera y obtenemos: T t

 VI y

luego despejamos T y nos queda: T  VIt

EFECTO JOULE El enunciado de la Ley de Joule es el siguiente: el calor que produce una corriente eléctrica al circular por un conductor es directamente proporcional al cuadrado de la intensidad de la corriente, a la resistencia y al tiempo que dura circulando la corriente. Matemáticamente se expresa: Q  0.24 I 2 Rt

Donde: Q = cantidad de calor I= Intensidad R= resistencia t= tiempo 0.24 = El 0.24 representa la equivalencia de 1 joule de trabajo= 0.24 calorias de energia . Si queremos conocer la cantidad de energía consumida (E= T) por un aparato eléctrico expresado en joules, de acuerdo con la Ley de Joule: E  T  I 2 Rt  Pt en W.s = joule = J V 2 V Como I  , tenemos que I 2  2 , de donde: R R 2 V E  T  o bien, T  Pt en J R

Se podrán usar cualquiera de las fórmulas dadas para calcular la energía consumida por un aparato eléctrico expresada en joules, de acuerdo con los datos proporcionados en los problemas. El efecto Joule se utiliza en diversos aparatos que producen calor cuando por su resistencia circula una corriente eléctrica; tales como: las planchas, radiadores, tostadores, calentadores o parrillas eléctricas.

120


4.- ACTIVIDAD DE ANÁLISIS Y DE REFLEXIÓN 1.- ¿Cuándo se considera que un cuerpo es eléctricamente neutro?

2.- Tenemos dos esferas en contacto y con carga eléctrica neutra, y tocamos a una de las esferas con un cuerpo cargado negativamente. ¿Con qué carga eléctrica queda la otra esfera?

3.- Tenemos dos esferas separadas, la esfera A sin carga y la esfera B con carga eléctrica positiva, tocamos la esfera A con una barra cargada negativamente, ¿qué sucede entre las esferas: se separan, se atraen, o no se mueven?

4.- Si a una esfera le acerco una barra con carga negativa, ¿qué carga aparece en ella en el lado opuesto a la barra?

Elabore un electroscopio casero como el que aquí se mostró y conteste las siguientes preguntas: 5.- ¿Qué se observa si acercamos al disco de la esfera del electroscopio una varilla de vidrio frotada con tela de seda, sin tocarla? ¿Por qué?

6.- ¿Con qué polaridad se carga el disco o la esfera del electroscopio?

7.- ¿Cuál es el signo de la carga de las laminillas móviles del aparato? 8.-Si un cuerpo está cargado con electricidad positiva es atraído por otro cargado con electricidad: 121


9.- ¿Por qué los pasajeros de los aviones no sufren ningún daño, aunque sobre estos caigan rayos en medio de una tormenta?

10.- ¿Para qué sirven los pararrayos?

PROBLEMAS RESUELTOS LEY DE COULOMB 11.-Determinar el valor de la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1= -4 microcoulombs, q 2= 5 microcoulombs, al estar separadas en el vació por una distancia de 50 cm. Datos Fórmula F=? qq  k F q1= -4 μC r q2= 5 μC r = 50 cm = 0.5 m k = 9 X 109 Nm2/C2 1

Sustitución y resultado Antes de sustituir los datos verificamos que estén en el sistema internacional, si no, procedemos a hacer las conversiones. Los cm los convertimos a m y los microcoulombs a coulombs, quedando pues:

2

2

6 6 2  9 Nm   4 X 10 C 5 X 10 C   F   9 X 10 2  C 0.5m2   F  .72 N

El signo menos indica que se trata de una fuerza de atracción. Cuando el signo es positivo la fuerza es de repulsión 12.-Una carga de -5 nocoulombs se encuentra en el aire a 0.20 m de otra carga de -7 nanocoulombs. Calcular: a) ¿Cuál es el valor de la fuerza eléctrica entre ellas? b) ¿Cuál será el valor de la fuerza eléctrica entre ellas si estuvieran sumergidas en aceite? Datos Fórmulas Sustitución F=? a) Antes de sustituir los datos verificamos qq F  k F= ? que estén en el sistema internacional, si no, r q1= -5 nC procedemos a hacer las conversiones. Los F r  q2= -7 nC nanocoulombs los convertimos a F ´ r = 0.20 m coulombs.quedando pues: 9 9 9 2 k = 9 X 10  9 Nm   5 X 10 C  7 X 10 C  2 2  F   9 X 10 Nm /C C 2   m2 1

2

2



122



0.2


F  7.87 X 106 N

b)Si estuviera sumergido en aceite cuya permitividad relativa ( r ) es de 2.8 (Ver cuadro de permitividad relativa) el valor de la fuerza eléctrica F´ en el aceite se calcula de la siguiente manera: 

r 

F F ´

por lo tanto: F ´

F r

F ´

7.87 X 10

6

N

2.8

F ´ 2.81 X 106 N

Nota: La fuerza eléctrica de repulsión entre las cargas disminuye al estar sumergidas en aceite.

INTENSIDAD DEL CAMPO ELÉCTRICO 13.-Determine el valor de la intensidad del campo eléctrico en un punto donde se coloca una carga de prueba de 7 microcoulmbs, la cual recibe una fuerza eléctrica vertical hacia arriba de 5 X 10 -3N. Datos Fórmula Sustitución y resultado E= ? Antes de sustituir los F  E q = 7μC datos verificamos que q -3 F= 5X10 N estén en el sistema internacional, si no, procedemos a hacer las conversiones. Los microcoulombs los convertimos a coulombs quedando pues: E 

5 X 10

3

7 X 10

N

6

E  7.1 X 10

C 2 N C

14.-El valor de la intensidad del campo eléctrico producido por una carga de 7μC en un punto determinado es de 5X10 5 N/C. ¿A qué distancia del punto considerado se encuentra la carga? Datos E = 5X105N/C q = 7 μC r=? k = 9X109Nm2/C2

Fórmula E 

kq r 2

Despejamos r y nos queda: r 

kq E 123

Sustitución Antes de sustituir los datos verificamos que estén en el sistema internacional, si no, procedemos a hacer las conversiones. Los microcoulombs los


convertimos a coulombs quedando pues: 2  9 Nm   9 X 10 7 X 106 C  2  C  r   5

5 X 10 N / C 

r  0.3549m

POTENCIAL ELÉCTRICO 15.-Una carga de 4nC es transportada desde el suelo hasta la superficie de una esfera cargada, con un trabajo de 7 X 10 -5J. Determine el valor del potencial eléctrico de la esfera. Datos Fórmula Sustitución q = 4 nC Antes de sustituir los T V -5  T = 7 X 10 J datos verificamos que q V = ¿? estén en el sistema internacional, si no, procedemos a hacer las conversiones. Los nanocoulombs los convertimos a coulombs quedando pues: V 

7 X 10 4 X 10

5

J

9

17500V V 

C

16.- ¿A qué distancia de una carga puntual de 18 nC existirá un potencial de 8x102 V? Datos Fórmula Sustitución y resultado q = 18 nC Antes de sustituir los datos kq 2 V  V = 8 X 10 V verificamos que estén en el r r= ? sistema internacional, si no, Despejamos r y nos procedemos a hacer las queda: conversiones. Los kq r  nanocoulombs los V convertimos a coulombs quedando pues: 2  9 Nm   9 X 10 18 X 109 C  C  r  

r  0.2025m

DIFERENCIA DE POTENCIAL 124

8 X 102V


17.-Una carga de prueba se mueve del punto A al B como se ve a continuación:

A

B

Q + q

Calcular: a) La diferencia de potencial V AB, si la distancia del punto A a la carga Q de 5μC es de 10 cm y la distancia del punto B a la carga Q es de 20 cm. b) El valor del trabajo realizado por el campo eléctrico de la carga Q para mover la carga de prueba q igual a 2 nC del punto A al B Datos Q= 5 μC r A = 10 cm=0.1 m r B = 20 cm= 0.20m q = 2nC V AB= ¿?

Fórmula a) Para calcular la diferencia de potencial entre los puntos A y B, determinamos primero el potencial eléctrico en A y en B: V A  V B 

kQ

Sustitución a) Antes de sustituir los datos verificamos que estén en el sistema internacional, si no, procedemos a hacer las conversiones. Los cm los convertimos en m y los microcoulombs los convertimos a coulombs quedando pues: 2  9 Nm   9 x10 5 x106 C  C 2  V A  

0.10m

r A

V A  450000

kQ r B

Por lo tanto la diferencia de potencial V AB es igual a:

V

2  9 Nm   9 x10 5 x106 C  C 2  V B  

0.2m

V B  225000 V

V AB  V A  V B

Por lo tanto la diferencia de potencial VAB es igual a:

b)El trabajo realizado por el campo eléctrico de la carga Q para mover del punto A al B a la carga de prueba q es:

225000V  225000V V AB  450000V 

T A B



qV A  V B 

INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA 125

b)





T A B  9 X 109 C 225000V   0.00045J


18.-Calcular la intensidad de la corriente eléctrica en amperes y en miliamperes, si por una sección de un conductor circulan 65 coulombs en 30 minutos. Datos Fórmula Sustitución I=? 65C q  I I   0.3611 A. q = 65 C t 180 s t = 30min = 180 seg. Ahora convertimos los amperes a miliamperes: 0.3611 Ax

1000mA 1 A

 361.1mA

19.-Determine la cantidad de electrones que pasa cada 10 segundos por una sección de un conductor donde la intensidad de la corriente es de 20 mA. Datos Fórmula Sustitución q = ¿? en electrones Antes de sustituir los q I  I = 20 mA datos verificamos que t t = 10 seg. estén en el sistema Despejamos q y nos internacional, si no, queda: procedemos a hacer q  It las conversiones. Los mA los convertimos a amperes y nos queda: q  0.02 A10 s  q  0.2C

Ahora los coulombs los convertimos a electrones 18

0.2Cx

6.24 X 10

e

1C

q  1.248 X 1018 electrones

LEY DE OHM 20.-Determine la resistencia del filamento de una lámpara que deja pasar 0.6 A de intensidad de corriente al ser conectado a una diferencia de potencial de 120 V. Datos Fórmula Sustitución y resultado R=? V 120V R  I  I = 0.6 A R 0.6 A V = 120 V Despejando la resistencia R  200 nos queda: R 

V I

126


21.- Por una resistencia de 10 ohms circula una corriente eléctrica de 2 amperes. ¿Cuál es el valor de la diferencia de potencial a la que están conectados sus extremos? Datos Fórmula Sustitución y resultado R  10

I=2A V = ¿?

I 

V  2 A10 V  20V

V R

Despejando V, nos queda: V  IR

CIRCUITOS CON RESISTENCIAS CONECTADAS EN SERIE. 22.-Calcule el valor de la resistencia equivalente de tres resistencias, cuyos valores son: R1  17 , R2  12 , R3  25 , conectadas en serie. Datos Fórmula Sustitución y resultado RT = R1 + R2 + R3 R1  17 RT  17  12  25  54 R2  12 R3  25

23.-Dos focos, uno de 70 ohms y otro de 80 ohms, se conectan en serie con una diferencia de potencial de 120 V. Representar el circuito eléctrico. a) Determine el valor de la resistencia total del circuito. b) Calcular la intensidad de la corriente que circula por el circuito. c) Determinar la caída de voltaje o tensión en cada resistencia Datos R1  70

R2  80 V  120V

Rt= ? I= ? V1= ? V2= ?

Fórmula Calculamos primero la resistencia equivalente del circuito: RT = R1 + R2 Aplicando la Ley de Ohm calculamos la intensidad de la corriente eléctrica: I 

V R

Para determinar la caída de voltaje o de tensión en cada resistencia y dado que la intensidad de corriente que circula por R1 es igual a la de R2: V 1  IR1 V 2  IR2

127

Sustitución y resultado a) RT  70  80  150

b) I 

120V 150

 0.8 A

c) V 1  0.8 A70  56V V 2  0.8 A80  64V

Como se observa, al sumar la caída de tensión en R1 más la caída de tensión en R2 obtenemos: 56 V +64 V = 120 V que es igual al valor del voltaje suministrado.


CIRCUITOS CON RESISTENCIAS CONECTADAS EN PARALELO 24.- Calcule el valor de la resistencia equivalente de tres resistencias, cuyos valores son: R1  17 , R2  12 , R3  25 , conectadas en paralelo. Datos Fórmula Sustitución y resultado R1  17

1

R2  12

RT

1



1



R1

1

1

R3

RT



R2

R3  25

1

RT= ?



1 17



1 12



1 25

.1821 0

RT

Despejamos RT y nos queda: RT

1



5.5

0.1821

25.- Una plancha eléctrica de 40 ohms se conecta en paralelo con un tostador eléctrico de 70 ohms, suministrándoles un voltaje de 120 V. Dibuje el diagrama y calcule: a) El valor de la resistencia total del circuito. b) La intensidad de corriente eléctrica que circula por el circuito. c) La intensidad de corriente eléctrica que circula por cada aparato. d) El voltaje en cada uno de los aparatos. Datos R1  40

R2  70 V  120V

Fórmula a)

1



RT

Sustitución 1



R1

1

R2

1 1 1   a) RT 40 70

RT

b) I  c) I

1

V

b) I 

R 

I 2

V R1 

1



 25.45

0.0392 120V 25.45

c) I 1 

120V

I 2 

120V

40

 4.71A

 3A

V R2

d) El voltaje en cada uno

70

de los aparatos es de 120 V V1= 120 v V2= 120 v y es el mismo suministrado por el circuito, ya que las terminales de los aparatos están conectados a un cable común que viene de la fuente de energía.

128

 1.71 A


POTENCIA ELÉCTRICA 26.-Calcular: a) La potencia eléctrica de un foco que recibe una diferencia de potencial de 120 V si por su filamento circula una corriente de 0.5 A. b) El valor de la resistencia del foco. Datos Fórmula Sustitución V  120V a) a) P  VI I = 0.5 A P  120V 0.5 A  60W P= ? b)Despejamos R de la b) R= ? formula de Ley de Ohm y 120V   240 R nos queda: 0.5 A R 

V I

27.- Determinar: a) La potencia eléctrica desarrollada por un calentador eléctrico que se conecta a una diferencia de potencial de 120 V y por una resistencia circula una corriente de 8 A. b) ¿Qué energía eléctrica consume en kW-h al estar encendido 15 min? c) ¿Cuál es el costo de la energía eléctrica consumida por el calentador al considerar a $0.40 el kW-h? Datos Fórmula Sustitución y resultado a) P  120V 8 A  960W P= ? P  VI V  120V

I= 8A b) T= ? P = 960 W t = 15 min

T  Pt

Antes de sustituir los datos verificamos que el potencial eléctrico este en kW, pues así lo piden en el problema; por la misma razón tendremos que convertir los minutos a horas: 960WX

1kW 1000W

15 min X

 0.96kW

1h 60 min

 0.25h

Una vez hechas las conversiones procedemos a sustituir los datos convertidos en la fórmula: T  0.96kW 0.25h   0.24kW  h

c) Costo del consumo de energía eléctrica= ¿? Costo energía por Kw.-h=$0.40

Se multiplica el consumo de energía (T) por el costo por kW-h ($0.40) 129

 $0.40    $0.096 1 kW h   

Costo= 0.24kW  h


EFECTO JOULE 28.- Calcular la cantidad de calor que produce un radiador eléctrico de 15 ohms de resistencia al circular una corriente de 8 A, si está conectado a una diferencia de potencial de 120 V durante 30 minutos. Datos Fórmula Sustitución 2 R= 15  Q  0.24 I Rt Q  0.248 A 15 1800 s   414720cal I=8A t = 30 min 1800 s 2

29.-Una plancha eléctrica tiene una resistencia de 16  y se conecta durante 20 minutos a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué cantidad de calor produce? Datos R = 16  t =20 min.=1200 s V= 120 V

Fórmula Para poder calcular el calor producido necesitamos calcular primero la Intensidad de corriente (I) con la siguiente fórmula: I 

V

Sustitución y resultado I 

120V 16

 7.5 A

Ya calculada la intensidad calculamos la cantidad de calor: Q  0.247.5 A 161200 s   259200cal 2

R

Después con la siguiente fórmula calcularemos la cantidad de calor producido: Q  0.24 I 2 Rt

5.- ACTIVIDADES DE APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO LEY DE COULOMB 1.- Dos cargas de -9 X 10 -7C están separadas por una distancia de 6 cm. ¿Cuál será la fuerza entre ellas y de qué tipo? ¿Cuál sería la fuerza entre ellas si estuvieran sumergidas en aceite? A

B

Q + q

130


2.- Dos cargas iguales localizadas a 12 cm de separación, se repelen entre si con una fuerza de 0.36 N. Encuentre la magnitud de cada carga en Coulombs.

3.- Determine la distancia a la que se encuentran dos cargas eléctricas de 7X10 -8 C al rechazarse con una fuerza de 4.41X10 -3 N.

INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO 4.-Calcular la intensidad del campo eléctrico en el aire a una distancia de 30 cm de una carga puntual de 5  C.

5.- Determine el valor de la fuerza que actúa sobre una carga de prueba de 2X 10-7 C al situarse en un punto en el que la intensidad del campo eléctrico tiene un valor de 6 X 10 4 N/C. 6.-El valor de la intensidad del campo eléctrico, producido por una carga es de 4X105 N/C a 50 cm de distancia de esta. ¿Cuál es el valor de la carga eléctrica?

POTENCIAL ELÉCTRICO 7.- Determine el valor del potencial eléctrico a una distancia de 10 cm de una carga puntual de 8  C. 8.- ¿Cuál es el potencial eléctrico para cada una de las siguientes distancias medidas desde una carga de 2  C? r=10 cm Y r=50 cm 9.- Una carga de 2  C se coloca en un determinado punto de un campo eléctrico adquiriendo una energía potencial de 4 X 10 -4 J. Calcular el potencial eléctrico en ese punto.

DIFERENCIA DE POTENCIAL 10.-Una carga de prueba se mueve del punto A al B como se muestra en la figura. Determine la diferencia de potencial V AB, si la distancia del punto A a la carga Q de 4  C es de 20 cm y la distancia del punto B a la carga Q es de 40 cm.

Q

A

B

+ q

131


11.-Calcular la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos A y B, sabiendo que el punto B se encuentra a 30 cm de una carga puntual de 6.7 X 10 -4  C y el punto A se encuentra a 17 cm de la misma. A

B

Q

INTENSIDAD ELÉCTRICA 12.- Determine la intensidad de la corriente eléctrica en un conductor cuando circulan 86 C, por una sección del mismo en 1 hora. Expresar el resultado en horas. 13.- La intensidad de la corriente eléctrica en un circuito es de 13  A. ¿Cuánto tiempo se requiere para que circulen por el circuito 120 coulombs? Exprese el resultado en horas. 14.- ¿Cuántos electrones pasan cada segundo por una sección de un conductor donde la intensidad de la corriente es de 28 A?

LEY DE OHM 15.- Determine la intensidad de la corriente eléctrica a través de una resistencia de 30  al aplicársele una diferencia de potencial de 90 V. 16.- ¿Cuál es la resistencia en los extremos de un conductor al que un generador de 10 V le origina un flujo de 12.56X10 18 electrones por segundo?

17.- Calcular la resistencia de un conductor que al conectarse a una diferencia de potencial de 12 V, deja pasar una corriente de 90 miliamperes.

CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE 18.- Calcular la resistencia equivalente o total de tres focos cuyas resistencias son de R1= 2  , R2= 5  , R3=7  , conectados en serie. (Dibuje el diagrama).

19.- Una plancha eléctrica de 40  se conecta en serie con un tostador eléctrico de 70  suministrándoles un voltaje de 120 V. Determinar: a) El valor de la resistencia total del circuito. b) La intensidad de corriente eléctrica que circula por el circuito. c) El voltaje en cada uno de los aparatos. 132


d) Dibuje el diagrama. CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO 20.-Calcule la resistencia equivalente o total de tres focos cuyas resistencias son de R1 = 2  , R2 = 5  , R3 = 7  , conectados en paralelo. (Dibuje el diagrama) 21.-Tres bobinas de 2,5 y 8  de resistencia eléctrica respectivamente se conectan en paralelo suministrándoles una diferencia de potencial de 40 V. dibuje el diagrama y determine: a) El valor de la resistencia total del circuito. b) La intensidad de la corriente eléctrica que circula por el circuito. c) El voltaje en cada uno de los aparatos. d) La intensidad de corriente eléctrica que circula por cada aparato.

POTENCIAL ELÉCTRICO 22.-Obtener la potencia eléctrica de una plancha cuya resistencia es de 500  , al conectarse a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Cuál es la intensidad de la corriente que circula por la resistencia? 23.-Calcular el costo del consumo de energía eléctrica de un foco de 60 watts que dura encendido una hora con 15 minutos. El costo de 1 kW-h considérese de $0.40. 24.-Calcular el costo del consumo de energía eléctrica originado por un foco de 75 watts que dura encendido 30 minutos. Un kW-h = $0.40

EFECTO JOULE 25.-Un tostador eléctrico de pan tiene una resistencia de 20  y se conecta durante 2 minutos a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué cantidad de calor produce? 26.-Un tostador eléctrico tiene una resistencia por la que circulan 10 A al estar conectado a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué cantidad de calor desarrolla en 3 minutos?

27.-Por una resistencia de 30  de una plancha eléctrica circula una corriente de 4 A al estar conectada a una diferencia de potencial de 120 V. ¿Qué cantidad de calor produce en 5 minutos?

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3.2 MAGNETISMO 1.- ACTIVIDAD PREVIA 1.- ¿Conoces los imanes? 2.- ¿Para qué sirven los imanes? 3.- ¿Qué sucede si a un imán se le acercan limaduras de metal? 4.- ¿Si tengo dos imanes del mismo tamaño que puede pasar si los junto? 5.- ¿Conoces algunos objetos o aparatos que se usen en la vida cotidiana que tengan imanes dentro de su mecanismo? Menciona algunos. 6.- ¿Conoces los transformadores? ¿Dónde los has visto? 7.- ¿Conoces los motores eléctricos? ¿Menciona tres aparatos que utilices en tu casa que tengan motor eléctrico? 8.- ¿Por qué el petróleo es el principal combustible para le generación de electricidad? 9.- ¿Cómo puedes colaborar para el ahorro de la energía eléctrica en el lugar donde vives?

2.- ACTIVIDAD DE INDAGACIÓN 1.- ¿Qué es una brújula y como funciona? 2.- ¿Cómo se descubrió la propiedad que tienen los imanes? 3.- ¿Qué es el magnetismo? 4.- ¿Qué es un electroimán? 5.- Investiga las contribuciones al estudio del magnetismo hechas por los siguientes científicos: William Gilbert Charles Coulomb Hans Christian Oersted Michael Faraday James C. Maxwell Guillermo Weber André Marie Ampere 6.- Investiga que es un dínamo de bicicleta y explica cómo funciona.

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7.- Investiga a grandes rasgos cómo se genera electricidad a partir de la energía atómica, escribe ventajas y desventajas de producir electricidad de esta forma. 8.- Investiga que es el SAR (Specific Absorption Rate o coeficiente de absorción de energía). Consigue el manual de un teléfono celular, busca información relacionada con los índices SAR y verifique si se encuentran dentro del rango aceptable. 9.- Investiga los tipos de radiación electromagnética y los riesgos asociados con la salud. Estas investigaciones deberás dársela a tu asesor para que sea parte de tu calificación.

3.- DESARROLLO 3.2.1. Concepto de Magnetismo, tipo de imanes, campo magnético e interacción entre polos. MAGNETISMO Magnetismo es la fuerza de atracción que tienen los imanes, al atraer hacia ellos pequeños trozos de hierro. Los primeros fenómenos magnéticos observados de los que se tienen registros, son de hace aproximadamente 2000 años, en una antigua ciudad de Turquía llamada Magnesia. Los antiguos pobladores observaron que un tipo de piedra tenía la propiedad de atraer pequeños trozos de hierro. A esas piedras le llamaron magnetita o imán (haciendo alusión al lugar donde se encontró: Magnesia). Los imanes químicamente son un mineral de oxido de hierro cuya fórmula es Fe 3O4. PROPIEDAD DE LOS IMANES En un imán las limaduras de hierro se adhieren más fuertemente a las áreas cercanas a los extremos. Estas regiones donde parece concentrarse la fuerza del imán se llaman polos magnéticos. Si se suspende un imán en forma de barra de un hilo amarrado en su parte central, el imán se alinear en una dirección norte-sur. El extremo que apunta hacia el norte, se llama polo norte del imán, el extremo que apunta hacia el sur, se llama polo sur del imán. Cuando al imán suspendido se le acerca otro imán de barra, los dos polos norte o los dos polos sur se repelen entre si, por el contrario el polo norte de uno y el polo sur del otro se atraen mutuamente. La ley de la fuerza magnética establece que: “Polos magnéticos iguales se repelen y polos magnéticos diferentes se atraen” No existen imanes con un solo polo, si un imán se corta a la mitad cada pieza resultante se convertida en un imán, con polo norte y polo sur. La parte principal de la brújula la constituye un imán en forma de aguja que trata de alinearse siempre en la dirección Norte-Sur de la Tierra. TIPOS DE IMANES, IMANES PERMANENTES Y TEMPORALES Hoy en día la mayoría de los imanes utilizados son artificiales, son fabricados en moldes de tamaños diversos, según el uso que se les dé, pueden ser construidos con una solidez y con una mayor intensidad magnética que los naturales.

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No todos los metales pueden ser imantados, y los que adquieren esta propiedad la pierden fácilmente, para evitar este problema muchos imanes se fabrican con aleaciones de hierro, níquel y aluminio; hierro con cromo, cobalto, tungsteno o molibdeno. Una forma sencilla de hacer un imán es frotando una aguja unas doce veces con un imán, de la misma forma pueden ser imantados una punta de desarmador o las puntas de unas tijeras. En la industria una barra de metal se imanta al someterla a la acción de un campo magnético producido por un solenoide en el que circula una corriente eléctrica. Cuando la barra de acero es dulce (virgen), se imanta, pero la imantación desaparece al momento de interrumpir la corriente, a estos imanes se les llama temporales. Cuando la barra es de acero templado (tratamiento que se le da al acero para hacerlo más resistente a los golpes) adquiere una imantación que persiste después de que la corriente eléctrica se interrumpe, a estos imanes se les llama temporales.

Ejemplo de imanes artificiales, permanentes, en forma de herradura y barra.

MAGNETISMO EN LOS MATERIALES La explicación de por qué los materiales magnéticos se convierten en imanes la dio W. Weber (1852) en la teoría que lleva su nombre, según la cual:

“Un cuerpo o material ferromagnético, está formado por pequeños imanes, que se ordenan cuando se encuentran en presencia de un campo magnético; cuando los pequeños imanes quedan alineados con el campo magnético del imán inductor, entonces se dice que el material queda imantado” MATERIALES FERROMAGNÉTICOS, PARAMAGNÉTICOS, DIAMAGNÉTICOS En general los materiales se pueden clasificar magnéticamente en tres categorías o grupos: ferromagnéticos, paramagnéticos y diamagnéticos. a) Ferromagnéticos.- Son los materiales magnéticos que presentan una gran facilidad para imantarse. Cuando se les coloca en las proximidades de un imán se convierten en otro imán inducido, por lo que siempre se producirá una fuerza de atracción. Ejemplo de materiales de este tipo son: el fierro, el níquel, el cobalto, gadonio, disprosio. Se les llama ferromagnéticos aunque no contengan fierro. b) Paramagnéticos.- Son los materiales que son atraídos débilmente por un imán. Ejemplo de materiales de este tipo: aluminio, litio, platino, iridio y cloruro férrico.

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c) Diamagnéticos.- Llamamos materiales diamagnéticos a los que son repelidos por el campo magnético. Ejemplo de estos materiales son: cobre, plata, oro, mercurio y bismuto. El calentamiento y los golpes favorecen el proceso de desordenar los pequeños imanes que forman un material magnetizado, perdiendo el imán con esto su magnetización.

CAMPO MAGNÉTICO Los imanes están rodeados por un espacio, en el cual se manifiestan sus efectos magnéticos. Esos espacios se llaman campos magnéticos. El científico Michael Faraday, imagino que de un imán salían hilos o líneas que se esparcían, a estas las llamó líneas de fuerza magnética. Estas líneas se encuentran más en los polos, pues ahí la intensidad es mayor. Las líneas de fuerza magnética de un imán ya sea de forma de barra o de herradura, se esparcen desde el polo norte y se curvan para entrar al sur. Cuando los imanes se encuentran cerca uno de otro, sus campos magnéticos se interfieren recíprocamente.

Campo magnético de un imán

3.2.2. MAGNETISMO TERRESTRE William Gilbert demostró que la Tierra se comporta como un imán que produce un campo magnético cuyos polos no coinciden con los polos geográficos Norte y Sur. Una de las teorías que trata de explicar la causa del magnetismo terrestre, señala que la Tierra contiene una gran cantidad de depósitos del mineral de hierro. Otra teoría explica que el magnetismo terrestre se debe a las corrientes eléctricas que circulan alrededor de la Tierra.

DECLINACIÓN MAGNÉTICA Los meridianos magnéticos y terrestres no coinciden, el extremo norte de una brújula no apunta hacia el verdadero Norte geográfico. El ángulo de desviación 138


formado entre el Norte geográfico real y el norte que señala la brújula recibe el nombre de ángulo de declinación.

INCLINACIÓN MAGNÉTICA La inclinación magnética es el ángulo que forma la aguja magnética, es decir, las líneas de fuerza del campo magnético con el plano horizontal. Una brújula de inclinación es aquella con una suspensión tal que le permite oscilar en un plano vertical, por ello puede medir el ángulo de inclinación. 3.3 ELECTROMAGNETISMO 3.3.1 CONCEPTO DE ELECTROMAGNETISMO Y SU DESARROLLO HISTÓRICO El primer indicio relacionado con el origen de los campos magnéticos lo encontró el físico Danés Hans Christian Oersted en el año de 1820. Oersted vio que la aguja de una brújula era desviada cuando circulaba corriente por un alambre colocado encima de ella. Oersted demostró que siempre que una corriente fluye por un alambre aparece alrededor de él un campo magnético; así se descubrió el electromagnetismo. Después André Marie Ampere (1775-1836), descubrió que el campo magnético podía intensificarse al enrollar un alambre conductor en forma de bobina. Un tiempo después Joseph Henry recubrió con material aislante a los alambres y los enrolló alrededor de una barra de hierro. Luego los conecto a una batería y observó que la corriente eléctrica magnetizaba al hierro y cuando la corriente dejaba de circular entonces desaparecía el campo magnético de la barra de hierro. Se había descubierto el electroimán, pieza fundamental de los motores eléctricos. 3.3.2 DESCRIPCIÓN CUALITATIVA DEL CAMPO MAGNÉTICO PRODUCIDA POR UNA CORRIENTE ELÉCTRICA EN UN CONDUCTOR RECTO, UNA ESPIRA Y UN SOLENOIDE Campo magnético producido por un conductor recto Para entender el sentido de un campo magnético producido por la corriente continua o directa que circula por un alambre recto, se toma el alambre con la mano izquierda, de tal modo que el dedo pulgar indique el sentido de la corriente (de negativo a positivo), entonces los otros dedos señalarán el sentido del campo magnético. Ver siguiente dibujo.

Campo magnético producido por una espira Una espira se obtiene al doblar en forma circular un conductor recto. Si por la espira se hace pasar una corriente eléctrica, entonces el campo magnético a su 139


alrededor persiste, pero ahora en la forma de semicírculo que entran y salen del circuito como lo indica la figura de la pagina siguiente. Al aplicar la regla de la mano izquierda en los diferentes puntos de la espira, obtendremos el sentido del campo magnético.

Campo magnético producido por un solenoide Un solenoide se obtiene al enrollar un alambre en forma helicoidal (acción llamada devanar). Cuando una corriente circula a través del solenoide, las líneas de fuerza del campo magnético generado se asemejan al campo producido por un imán en forma de barra. En su interior las líneas de fuerza son paralelas y el campo magnético es uniforme. Para saber el polo norte de un solenoide se aplica la regla de la mano izquierda en tal forma que los cuatro dedos señalen el sentido en el que circula la corriente eléctrica y el dedo pulgar extendido, señalará el polo norte. Ver siguiente dibujo:

Sentido de la corriente y del campo magnético en una espira y un solenoide respectivamente

3.3.3 INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA Y SU RELEVANCIA EN LA ELECTRIFICACIÓN Por medio de la inducción electromagnética es posible conseguir energía eléctrica a partir de la energía mecánica. La energía que llega a nuestras casas proviene de generadores eléctricos, que en la mayoría de los casos son impulsados con agua, vapor, petróleo o energía atómica, en los cuales enormes bobinas giran entre los polos de potentes imanes y generan grandes cantidades de energía eléctrica. En todas estas situaciones puede notarse que la energía mecánica que corresponde al movimiento de los motores o generadores se convierte en electricidad. En 1831, Michael Faraday descubrió las corrientes eléctricas inducidas, al realizar experimentos con una bobina y un imán. Pensó que si una corriente eléctrica origina un campo magnético, tal vez un imán podría generar una corriente eléctrica. Para probar esta tesis introdujo un imán dentro de una bobina (alambre enrollado en forma helicoidal), la bobina estaba conectada a un galvanómetro que servía para detectar la presencia de corrientes eléctricas de poca intensidad. Lo que logro encontrar con sus experimentos fue lo siguiente:

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a) Al permanecer inmóviles el imán y la bobina no se produce ninguna corriente inducida, pero al acercar el imán a la bobina se origina inmediatamente una corriente que se detecta con el galvanómetro. El sentido de la corriente está en función de si se acerca o si se aleja el imán. La corriente inducida será más intensa al avanzar más rápido el imán, la bobina o ambos. b) Las corrientes inducidas son aquellas producidas cuando se mueve un conductor en sentido transversal a las líneas de flujo de un campo magnético. c) La inducción electromagnética es el fenómeno que da origen a la producción de una fuerza electromotriz (FEM) y de una corriente eléctrica inducida, como resultado de la variación del flujo magnético debido al movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético. La corriente eléctrica que circula por el circuito será mayor entre más espiras tenga, aunque costará más trabajo o energía introducir el imán a la bobina, esto se debe a que cuando circula corriente por la bobina, ésta crea su propio campo magnético, de manera que repele al imán.

3.3.4 CARACTERÍSTICAS DE LA CORRIENTE ALTERNA Y FUNCIONAMIENTO DEL TRANSFORMADOR, GENERADOR Y MOTOR ELÉCTRICO La corriente continua o directa es la corriente eléctrica producida por una pila. Cuando se conecta un alambre a una pila, los electrones que originan la corriente continua van en forma constante del polo negativo al polo positivo en una misma dirección. La corriente que se usa para el consumo doméstico e industrial se mueve en una forma alternativa, razón por la cual se le llama corriente alterna. El movimiento de vaivén de los electrones cambia ciento veinte veces por segundo por lo que su frecuencia es de 60 ciclos/segundo. La corriente alterna es la más sencilla de producir mediante el empleo de respectivos generadores de corriente alterna, y se prefiere pues su voltaje se puede controlar por medio de un aparato llamado transformador. La electricidad al recorrer grandes distancias se envía a voltajes muy altos, cercanos a ciento de miles de volts, permitiendo así la transferencia de una gran cantidad de electricidad a baja intensidad, reduciendo así las pérdidas de energía por el calentamiento del conductor. Cuando la electricidad llega a la ciudad su voltaje es reducido para ser utilizada en aparatos del hogar y maquinas industriales. TRANSFORMADOR Las redes generales de distribución eléctrica, conducen grandes cantidades de energía eléctrica, y trabaja a voltajes altos, de miles de volts. Para evitar accidentes mortales, las torres de electricidad están muy elevadas. Para reducir el voltaje que sale de los generadores al voltaje de 120 volts que llega a nuestras casas, se utiliza un dispositivo llamado transformador, que funciona mediante el principio de inducción electromagnética. El transformador fue inventado por Michael Faraday.

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Así se ve un transformador por fuera Un transformador se forma con dos bobinas unidas mediante un objeto metálico, conocido como núcleo de hierro. Una de las bobinas llamada bobina primaria se conecta a una fuente de voltaje de corriente alterna (CA) de modo que induce un campo magnético variable que magnetiza el núcleo magnético; este a su vez, induce una corriente eléctrica en la otra bobina, llamada bobina secundaria. Los transformadores se utilizan para elevar o disminuir el voltaje en un circuito de corriente alterna. Si lo eleva se denomina de subida o de elevación, si lo disminuye se llama de bajada o de reducción. Cuando la bobina primaria tiene menos espiras que la secundaria aumenta el voltaje. Variando el número de espiras entre la bobina primaria y la secundaria se puede disminuir o aumentar el voltaje entre ellas. Así se ve un transformador por dentro, con sus bobinas (devanados) primaria y secundaria

GENERADOR ELÉCTRICO El generador eléctrico es un aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica. Está constituido por un inductor elaborado a base de electroimanes o imanes permanentes, y por un inducido que consta de un núcleo de hierro al cual se le enrolla alambre conductor previamente aislado. Cuando se le comunica al inducido (núcleo con alambre enrollado) un movimiento de rotación, los alambres conductores cortan las líneas de campo magnético, por tanto, se induce en ellas una fuerza electromotriz (fem) alterna. Para obtener una corriente continua debe incorporarse un dispositivo conveniente llamado conmutador.

Generador sencillo de corriente eléctrica

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MOTOR ELÉCTRICO Un motor eléctrico es un aparato que transforma la energía energía eléctrica en energía energía mecánica. Un motor de corriente continua o directa está constituido por una bobina suspendida entre los polos de un imán. Al circular una corriente eléctrica en la bobina, ésta adquiere un campo magnético y actúa como un imán, por tanto, es desplazada en movimiento de rotación, debido a la fuerza que hay entre los dos campos magnéticos. El motor de corriente alterna de inducción es el más empleado gracias a su bajo costo de mantenimiento. Todo motor eléctrico consta de dos partes principales: el electroimán, llamado inductor o estator (fijo) y el circuito eléctrico, que puede girar alrededor de un eje y recibe el nombre de inductor o rotor.

3.3.5 IMPACTO SOCIAL, CULTURAL Y AMBIENTAL DE LAS CONTRIBUCIONES DE LA FÍSICA, RIESGOS Y BENEFICIOS IMPACTO SOCIAL Y CULTURAL DE LAS CONTRIBUCIONES DE LA L A FÍSICA La Física es una de las ciencias naturales que más ha contribuido al desarrollo y bienestar del hombre, porque gracias a su estudio e investigación ha sido posible encontrar en muchos casos, una explicación clara y útil a los fenómenos que se presentan en nuestra vida diaria. La Física desempeña un papel decisivo en la cultura moderna y forma parte de la historia del hombre. Su desarrollo ha contribuido al progreso de muchas otras actividades humanas como la medicina, viajes espaciales, la economía y las telecomunicaciones por nombrar nombrar algunas. No es posible tener una educación completa sin comprender algunas ideas hechas en el terreno de la Física. Las Naciones Unidas declararon el año de 2005, el año Mundial de la Física. En casi todos los países del mundo se celebraron eventos para acercar a la gente a la Física, impulsar su desarrollo y celebrar el centenario de las teorías revolucionarias que Einstein le regaló al mundo en 1905. El mensaje divulgado para celebrar este acontecimiento fue el siguiente: “La Física nos rodea” “Ollas a presión, instrumentos musicales, columpios y conexiones eléctricas. Los principios de la física no están sólo en los libros de texto, sino en la realidad viva del día a día.” El sonido, la luz, el espacio y el tiempo son objetos fundamentales del estudio de la Física. Los instrumentos musicales están basados en la Física. Las ollas de presión utilizadas en nuestras casas se basan en principios físicos, como el 143


beneficio que aporta el aumento de la presión para disminuir el tiempo de cocción de los alimentos. Los columpios en los que seguramente te has divertido están basados en el péndulo. El conocer los principios básicos de la electricidad nos ayuda tanto a ahorrar energía como a evitar accidentes dentro y fuera de nuestros hogares al estar en contacto con algún artefacto eléctrico. El tener conocimientos más amplios de las aportaciones de la Física, nos ayudará a tomar mejores decisiones, porque aprenderás a cocinar mejor los alimentos, vas a entender cómo se emitan los sonidos, puedes comprender mejor cómo funcionan los automóviles y muchos aparatos que hoy en día nos ayudan a vivir de una manera muy cómoda. Enseguida se listan algunos inventos y aplicaciones basados en aportaciones que los físicos han hecho para la humanidad, que hoy en día son muy utilizados:

Bolsa de valores El trabajo de Einstein sobre el movimiento browniano revolucionó la mecánica estadística. Hoy gracias a ello se analizan las fluctuaciones de precios en las bolsas de valores. Lubricación La predicción de la existencia de un nuevo estado de la materia, hoy llamado condensado de Bose-Einstein, permitió el desarrollar mejores productos para la lubricación de motores y maquinaria. Sistemas de orientación y localización GPS Sin la Teoría General de la Relatividad no habría sido posible la construcción de los sistemas de orientación y localización GPS (Global Position System). Satélites La Teoría General de la Relatividad hizo posible la creación de la tecnología satelital. Radiación estimulada La teoría de la radiación estimulada originó el rayo láser con el que hoy es posible leer discos compactos y DVD. Esta misma teoría tuvo además múltiples aplicaciones en el campo de la medicina, especialmente en el ámbito de la cirugía, como por ejemplo la utilizada para corregir la miopía, el astigmatismo y otros problemas de la visión. Cámaras digitales También la tecnología de las cámaras digitales es heredera de los trabajos de Einstein para explicar el efecto fotoeléctrico, un fenómeno en el que los electrones de un metal son arrancados por acción de la luz. Este trabajo le valió a Einstein el premio Nobel de Física en 1921. Teléfonos celulares El principio fundamental de los celulares se encuentra en las ondas electromagnéticas, cuando se inventó el celular como una alternativa a la comunicación vía telefónica, también surgieron ciertas interrogantes en torno a su 144


uso, una de las cuales lo consideraba como una posible causa de cáncer. La Organización Mundial de la Salud (OMS) ha hecho algunas recomendaciones para los usuarios a fin de disminuir los posibles riesgos. Es importante hacer una reflexión sobre los alcances de las investigaciones científicas y la responsabilidad de los científicos y de los gobiernos que las financian. Cuando varios científicos, incluyendo a algunos que trabajaron en el desarrollo de la bomba atómica, se dieron cuenta de su capacidad destructiva, se opusieron a que fuera utilizada contra seres humanos, considerando el arma como inmoral e innecesaria. En la actualidad las grandes potencias mundiales han desarrollado armas atómicas que superan cientos de veces a las arrojadas sobre Hiroshima y Nagasaki en 1945, durante la Segunda Guerra Mundial.

IMPACTO AMBIENTAL DE LAS CONTRIBUCIONES DE LA FÍSICA Las turbinas que mueven las espiras de un generador de corriente, funcionan generalmente con petróleo. Se queman cantidades enormes de este combustible para hacerlas funcionar. El petróleo es el combustible más utilizado para generar electricidad; por eso es tan importante para un país, pero también genera los principales contaminantes del ambiente. La calidad del aire que respiramos es cada día peor, los mares están cada vez más contaminados por derrames de petróleo y miles de especies de animales y plantas mueren cada año debido a la contaminación de sus hábitats. Este es el precio que pagamos por tener electricidad. Además el petróleo es una fuente de energía no renovable. Ante estas circunstancias tan desfavorables, se han explorado otras fuentes de energía no contaminantes que entre otras cosas hagan funcionar las turbinas que hacen posible la electricidad; tal es el caso de la energía eólica (producida por el viento), la geotérmica (generada por el calor de la Tierra) y la hidráulica (que emplea la fuerza de las corrientes de agua). El uso irracional de la electricidad se traduce en más petróleo quemado y, por tanto, más contaminación. Así que cada vez que dejes una lámpara encendida sin necesitarla o utilices indiscriminadamente la luz eléctrica, piensa en las consecuencias que este tipo de acciones tienen sobre el ambiente. MANEJO DE RESIDUOS Como consecuencia de las actividades humanas realizadas con los avances tecnológicos que la Física ha aportado, se producen materiales residuales o de desecho. A estos residuos normalmente le damos el nombre de “basura”. Si estos residuos no tienen el tratamiento adecuado se convierten en fuentes de contaminación. Es necesario tener un adecuado manejo de residuos, pues si todos aprovechamos los avances tecnológicos, también debemos estar conscientes de los desechos que se generan y conocer como disponer de ellos para no contaminar el ambiente. Por esto es de suma importancia realizar una adecuada identificación y separación de los residuos producidos en cualquier proceso o actividad, para así poder darles el tratamiento que corresponda.

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Los aceites usados, las pilas, baterías y acumuladores, pueden ser reutilizados mediante procesos diferentes. Cada vez son más las personas y asociaciones tanto civiles como gubernamentales, preocupados por difundir una cultura en el cuidado del medio ambiente, en la actualidad existen centros recolectores de desechos peligrosos, identifica los que existen en tu comunidad.

4 y 5.- ACTIVIDADES DE ANÁLISIS, REFLEXIÓN Y APLICACIÓN DEL CONOCIMIENTO. Construye un electroimán. En este experimento construirás un imán un poco distinto de los que conoces.

Material necesario: - Pila de 1.5 V tipo D - Clavo largo -Diversos objetos pequeños hechos de hierro o acero como clips, alfileres, clavos, etc. - Cúter - 50 cm de cable aislado delgado de cobre Procedimiento: 1.- Enrolla el cable en el clavo dejando descubiertos sus extremos. 2.- Conecta los extremos del cable a la pila. 3.- Acerca la punta del clavo a los distintos objetos y observa. 4.- Desconecta uno de los cables y repite el paso anterior. 5.- Anota tus observaciones. Analiza y concluye: 1.- ¿Qué resultados obtuviste? 2.- ¿Qué semejanzas encuentras entre el circuito que construiste y un imán?

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3.- Si en lugar de un clavo usamos un trozo de madera, ¿observaremos el mismo efecto? Compruébalo experimentalmente. 4.- ¿Si el clavo fuera de níquel o cobre, observarías diferencias al realizar este experimento? ¿Por qué? 5.- Menciona dos aparatos que utilicen un electroimán para su funcionamiento.

Realiza el experimento de Oersted Material necesario:

- 2 pilas de 1.5 V, - Cable de cobre sin aislante en los extremos, - Brújula - Cinta adhesiva

Procedimiento: 1.- Acerca la brújula al alambre y observa lo que sucede. 2.- Coloca el cable sobre la brújula, conéctala por breves lapsos a la pila. Observa lo que sucede. 3.- Conecta el polo positivo de una pila con el polo negativo de la otra, y fíjalas con cinta adhesiva. 4.- Repite el paso dos pero ahora conecta el cable al arreglo de las pilas. Escribe tus observaciones en tu cuaderno.

Analiza y concluye: 1.- ¿Qué sucede con la aguja de la brújula cuando la acercas al alambre desconectado? 2.- ¿Qué diferencias observas en la desviación de la aguja cuando conectas el cable a una o a dos pilas? 3.- ¿Qué relación encuentras entre este experimento y el electroimán que construiste? 147


Realiza el experimento parecido al que realizó Faraday sobre inducción electromagnética:

Material necesario: - Cilindro hueco de cartón (del papel higiénico) - Imán grande de barra y que entre sin dificultad en el cilindro de cartón, - 1.5m de cable de cobre - Brújula - Cúter Procedimiento: 1.- Quita el esmalte en los extremos del cable. 2.- Enrolla en una vuelta (una espira) el alambre en el cilindro de cartón. Deja libres los extremos. 3.- Une los extremos del alambre. 4.- Pide a una persona que acerque la brújula a los extremos del alambre. 5.- Acerca el imán al interior del cilindro en las siguientes formas: a) Déjalo estático dentro del cilindro. b) Introduce el imán y sácalo del cilindro varias veces. Hazlo a diferentes velocidades. 6.- Observa en cada caso la aguja de la brújula. Anota tus observaciones en tu cuaderno. 7.- Repite los pasos anteriores enrollando el cilindro en tres vueltas y después haz lo mismo con el mayor número posible de vueltas. Escribe siempre tus observaciones. Analiza y concluye: 1.- ¿Qué relación encuentras entre este experimento y el experimento de Oersted? 2.- ¿En qué caso o casos la aguja de la brújula se mueve? 3.- ¿En qué caso la desviación de la aguja es mayor: en una, en tres o en más vueltas del alambre? 4.- ¿De dónde proviene la energía que transformas en energía eléctrica en el alambre? 5.- ¿Qué aplicación podría tener el experimento? 6.- ¿Cómo podrías generar una corriente eléctrica mayor? 148


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7.- ACTIVIDAD DE APOYO Resuelve la siguiente autoevaluación. Copie las preguntas en su cuaderno y conteste lo que se le pide. 1.- ¿Cómo se descubrió el imán? 2.- Dibuje algunos tipos de imán de diferentes formas. 3.- ¿Quién inició los estudios sobre el magnetismo? 4.- ¿Quién descubrió las bases de la inducción electromagnética? 5.- ¿Quién fue el científico inglés que hizo la formulación matemática de la teoría electromagnética? 6.- ¿Quién fue el científico que encontró la relación entre electricidad y magnetismo? 7.- ¿Quién fue el científico que encontró como varía la fuerza de interacción entre los polos magnéticos cuando cambia la distancia entre ellos? 8.- ¿El Norte geográfico de la Tierra qué polo magnético tiene? 9.- Mencione las dos teorías que tratan de explicar el magnetismo terrestre. 10.- ¿Cómo se llama al ángulo de desviación formado entre el Norte geográfico real de la Tierra y el norte que señala la brújula? 11.- ¿Cómo se le llama al ángulo que forma la aguja magnética de una brújula con el plano horizontal? 12.- Siempre que una corriente fluye por un alambre aparece alrededor de él un campo magnético, es la definición de: 13.- ¿Cómo se le llama al artefacto que se construye enrollando alambres aislados a una barra de hierro y luego se conectan las terminales del alambre a una batería o pila, generando así en la barra de hierro un imán temporal? 14.- ¿Cómo se le llama al espacio que rodea a los imanes y en dónde se manifiestan sus efectos magnéticos? 15.- ¿Se puede generar corriente a partir del campo magnético de un imán? Explica. 16.- ¿Cómo se le llama a la corriente que se usa para el consumo doméstico e industrial?

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17.- ¿Quién es el autor de la teoría del magnetismo que establece que los materiales magnéticos están formados por innumerables imanes elementales muy pequeños? 18.- ¿Cómo se llama el aparato que puede aumentar o disminuir fácilmente el voltaje según donde se vaya a consumir? 19.- ¿Cuál es el nombre del aparato que transforma la energía mecánica en energía eléctrica? 20.- ¿Cuál es el nombre del aparato que transforma la energía eléctrica en energía mecánica? 21.- Mencione tres aparatos que en su mecanismo se utilicen imanes. 22.- Si quiebro en dos parte un imán, ¿una parte equivale al polo norte y la otr a al polo sur? Explique el por qué de su respuesta. 23.- Explique que es un imán natural, un imán artificial, un imán temporal y un imán permanente. 24.- ¿En un campo magnético las líneas de fuerza van dirigidas del polo norte al sur o del polo sur al polo norte? 25.- Dibuje la configuración del espectro magnético producido cuando se acercan dos imanes de barra por sus polos iguales y haga otro dibujo cuando se acercan por sus polos distintos. 26.- Describa brevemente como demostró Gilbert que la tierra se comporta como un imán. 27.- Parte de la Física que estudia las cargas eléctricas en reposo. 28.- ¿De cuál vocablo griego proviene la palabra electricidad y qué significa? 29.- ¿Quién fue el primer matemático que describió los primeros fenómenos eléctricos? 30.- ¿Quién estableció la ley fundamental f undamental de las corrientes eléctricas? 31.- Mencione la ley de las cargas eléctricas. 32.- Si un cuerpo pierde electrones, ¿con qué carga eléctrica queda? 33.- Mencione tres formas de electrizar un cuerpo. 34.- ¿Cómo se le llama a los materiales que se electrizan en toda su superficie aunque sólo se frote un punto de la misma?

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35.- Mencione tres materiales aislantes. 36.- Mencione la unidad empleada por el Sistema Internacional para medir la intensidad de la corriente eléctrica. 37.- Si conecto dos pilas enlazando por una parte los positivos y, por la otra, los polos negativos, se dice que las pilas están conectadas en: 38.- ¿Cómo se le llama al sistema en el cual la corriente fluye por un conductor en una trayectoria completa, es decir, cerrada, debido debid o a una diferencia de pot potencial? encial? 39.- ¿Cómo se le llama a la siguiente ley: “La intensidad de la corriente eléctrica que pasa por un conductor en un circuito es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada a sus extremos e inversamente proporcional a la resiste ncia del conductor” 40.- ¿Cómo se le llama a la oposición que presenta un conductor al paso de la corriente o flujo de electrones? 41.- Menciona tres fuentes de energía no contaminantes 42.- Escribe tres ventajas y tres desventajas del impacto social, cultural y ambiental de las aportaciones de la Física.

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Propósito

A ctivi cti vidad dad exper imental No 3 C arg as eléct eléctricas ricas

Observar que existen dos tipos de carga eléctrica; comprender el fenómeno de electrización por los tres métodos (frotamiento, contacto e inducción) así como la atracción y repulsión entre cuerpos cargados.

Material  1 Soporte universal  1 Metro de hilo*  1 Globo*  1 Electroscopio  1 Varilla de PVC

    

1 Barra de ebonita 1 Varilla de vidrio Tela de seda Piel de conejo Pedazos de papel

Procedimiento 1.- Coloca sobre la mesa de laboratorio los cuadritos de papel y acerca a ellos la varilla de PVC sin tocarlos, observa el efecto producido. Frota fuertemente la varilla de PVC con el trozo de lana y acerca la varilla a los cuadritos de papel, anota tus observaciones. 2.- Descarga el globo ya inflado y colgado con el hilo en el soporte universal. Frota vigorosamente la barra de vidrio con la tela de seda, ya electrizada la barra acércala al globo, tócalo con la barra, observa. Descarga el globo tocándolo. Frota ahora la barra de ebonita con la tela de lana, ya electrizada la barra acércala al globo, tócalo con la barra, observa. Descarga el globo tocándolo de nuevo. Frota la barra de vidrio con la tela de seda y toca con ella el globo, ahora frota la barra de ebonita con la tela de lana y acércala al globo sin tocarlo, anota tus observaciones. 3.- Descarga el electroscopio tocándolo con las manos. Acerca a la esferilla del electroscopio la barra de vidrio previamente cargada y observa que sucede con las laminillas que tiene en su parte inferior. Descarga el electroscopio y repite la operación, pero ahora con la barra de PVC y de ebonita, previamente cargados, por frotamiento. Observa que sucede con las laminillas. Descarga el electroscopio, acerca a la esferilla del electroscopio la barra de vidrio previamente cargada y sin descargar el electroscopio, acerca la barra de PVC o ebonita. Observa las laminillas, anota tus observaciones. observaciones. 4.- Descarga el electroscopio tocándolo con las manos. Frota fuertemente la varilla de PVC con el trozo de lana y acerca al detector del electroscopio unos milimetros por encima. Observa el efecto producido. Acerca nuevamente la varilla de PVC al detector del electroscopio y tócalo con ella. Observa el efecto producido, anota tus observaciones.

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Cuestionario 1.- ¿Qué se observa al acercar a los cuadritos de papel, la varilla de PVC antes de frotarla?

2.- ¿Qué se observa al acercar a los cuadritos de papel, la varilla de PVC una vez que ha sido frotada?

3.- ¿Por qué son atraídos lo cuadritos de papel por la varilla de PVC?

4.- ¿Qué se observa al acercar la barra de vidrio cargada eléctricamente al péndulo, y por qué después de estar en contacto es rechazada la esfera?

5.- ¿Qué significa que un cuerpo no tenga carga eléctrica?

6.- Al frotar la varilla de PVC o ebonita con el trozo de tela de lana ¿con que signo quedó?

7.- ¿Qué tipo de carga adquiere el trozo de tela de lana?

8.- ¿Qué tipo de carga adquiere la varilla de vidrio al ser f rotada con la seda?

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9.- Explica en qué consiste la carga eléctrica por frotamiento, por contacto y por inducción y especifica en que parte del experimento se cargó un cuerpo por cada una de estas formas.

10.- ¿Qué le sucedió al electroscopio descargado cuando le acercaste la barra de vidrio previamente cargada?

11.- ¿Qué le sucede a las laminillas que estaban cargadas por la barra de vidrio al acercarles la barra de PVC cargada?

12.- Al acercar la varilla de PVC al detector del electroscopio, pero sin tocarlo, ¿qué es lo que pasa?

Conclusiones

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BIBLIOGRAFÍA Los textos se reproducen conforme a los artículos 10 y 18, inciso D de la “Ley Federal de Derechos de Autor” que permite su uso con propósitos educativos y sin fines de lucro. Física Universitaria con Física moderna Vol. 1 y 2 Sears, Zemansky, Young, Freeman Pearson Addison Wesley Undécima Edición 2006

Física II- Modulo 4 y 5 Alejandro Félix Estrada/ Héctor Riveros Rotge Colegio de Bachilleres Editorial Limusa, S.A. 1984

Física-Conceptos y Aplicaciones Tippens McGraw Hill Sexta Edición 2005

Física II, Conceptos Básicos Guillermo E. Moncada P. Mc Graw Hill 1994

Física General Frederick J. Bueche-Schaum McGraw Hill Novena Edición 1999

Física Israel Gutiérrez, Gabriela Pérez Editorial Castillo 2008 Ecología y Medio Ambiente Iván Camacho Anguiano Segunda edición 5t-Editorial 2007

Física General Héctor Pérez Montiel Grupo Editorial Patria Tercera Edición 2007

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AVISO SOBRE EL DERECHO DE CITA: La reproducción de fragmentos de obras, fotografías, ejercicios, o lo que corresponda, en esta guía pedagógica se acoge al artículo 148 de la Ley Federal de Derechos de Autor, en los párrafos I y VII cuyo texto dice:

“Las obras literarias y artísticas ya divulgadas podrán utilizarse, siempre que no se afecte la explotación normal de la obra, sin autorización del titular del derecho patrimonial y sin remuneración, citando invariablemente la fuente y sin alterar la obra, sólo en los siguientes casos: I. Cita de texto, siempre que la cantidad no pueda considerarse como una reproducción simulada y sustancial del contenido de la obra. VII. Reproducción, comunicación y distribución por medio de dibujos, pinturas, fotografías y procedimientos audiovisuales de las obras que sean visibles desde lugares públicos.”

Además el artículo citado indica que: “las personas morales no podrán valerse de lo dispuesto en esta fracción salvo que se trate de una institución educativa, de investigación, o que no esté dedicada a actividades mercantiles” Colaborador: Ing. Maricela Ramírez Dávila

Revisión Técnica: Ing. Jessica Lourdes López Esparza Lic. Karina Ivonne Rascón Rodríguez

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Cobac Física II Ok_2

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