EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR A DISTANCIA
Física II
CUADERNILLO DE PROCEDIMIENTOS PARA EL APRENDIZAJE Con la colaboración de:
Moisés Cisneros Maciel Maribel Pérez Pérez
FÍSICA II Cuadernillo de procedimientos para el aprendizaje
Con la colaboración de:
Moisés Cisneros Maciel Maribel Pérez Pérez
EMSAD
EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR A DIST DISTANCIA ANCIA
FÍSICA II Cuadernillo de Procedimientos para el Aprendizaje Con la colaboración de: Moisés Cisneros Maciel Maribel Pérez Pérez Coordinación de Educación Media Superior a Distancia Martha Elena Fuentes Torres Departamento de Diseño de Material Didáctico y Capacitación: Antonio Cadena Magaña Revisión y asesoría académica: Víctor Manuel Mora González Diseño Gráfico: Mildred Ximena Uribe Castañón Corrección de Estilo: Cristina Miranda Huerta ©Secretaría de Educación Pública. México, enero de 2008. Subsecretaría de Educación Media Superior Dirección General del Bachillerato Educación Media Superior a Distancia ISBN: En trámite Derechos Reservados
ÍNDICE
1 2 3
HIDRÁULICA
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CALOR Y TEMPERATURA 35
ELECTRICIDAD 52 MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
RESPUESTAS
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PRESENTACIÓN La asignatura de Física II, pertenece al campo de conocimiento de las Ciencias Naturales, cuyo propósito es desarrollar en el estudiante el interés por el quehacer científico, entendiéndolo como el estudio de los hechos, procesos y fenómenos que ocurren en el mundo material. El eje conceptual que rige en las disciplinas de este campo es la composición de la materia-energía y los sistemas biológicos, así como sus cambios y su interdependencia. La importancia de este campo es determinante porque permite descubrir las generalizaciones que han llevado a proponer las leyes y los principios que rigen el comportamiento de los sistemas físicos, químicos y biológicos, así como explicar la relación entre la ciencia y sus aplicaciones. La especie humana tiene como una de sus características, la búsqueda continua de respuestas a una gran cantidad de preguntas que se ha hecho a medida que su inteligencia se ha desarrollado. En esa necesidad de conocimiento, las Ciencias Naturales desempeñan un papel fundamental, que encierran un elevado valor cultural, el cual posibilita la comprensión de nuestro mundo actual. Por ello, podemos afirmar que las Ciencias Naturales han sido determinantes en el avance del quehacer científico, ya que su estudio ha hecho posible descubrir las generalizaciones que han llevado a proponer las teorías, principios y leyes que rigen el comportamiento de los sistemas físicos, químicos y biológicos, así como sus cambios e interdependencia, dando lugar a la formación de valores respecto a la relación ciencia- tecnología- sociedad. En este sentido, 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. En virtud de la importancia que la Física representa para cualquier persona y para la sociedad en general, el aprendizaje de la Física en el bachillerato, debe comprenderse como una actividad cultural, que requiere de: a) la adquisición de conocimientos y habilidades, b) cierta experiencia en la actividad científico – investigadora y, c) actitudes y valores, que le posibiliten reconocer los beneficios de la ciencia y los inconvenientes del uso irresponsable de los conocimientos científicos. El estudio de la Física en el Componente de Formación Básica del Bachillerato General, se ha dividido en las asignaturas Física I y II. La relación que guarda con otras disciplinas es la siguiente: su relación con la Química es muy estrecha ya que comparten el estudio de la materia y la energía, por lo que sus fronteras de estudio, con frecuencia se interrelacionan; las Matemáticas son empleadas como una herramienta fundamental para poder cuantificar y representar con modelos matemáticos múltiples fenómenos físicos; la Geografía le proporciona los fundamentos necesarios para estudiar los fenómenos naturales que ocurren en el subsuelo, la corteza terrestre, la hidrósfera y la atmósfera, y finalmente, 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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Este Cuadernillo de Procedimientos para el Aprendizaje pertenece a la asignatura de Física II que se imparte en el cuarto semestre y junto con Física I , constituyen la materia de física. Trata los siguientes temas: Hidráulica, en la cual por medio de la hidrostática y de la hidrodinámica se estudia la mecánica de los fluidos; calor y temperatura, contenidos que pretenden explicar la diferencia entre ambos y los efectos que el calor produce sobre los cuerpos. Por último, se incluyen los temas de electricidad, magnetismo y electromagnetismo, donde el estudiante podrá valorar la importancia de los conocimientos científicos que aportan la electrostática, la electrodinámica, el magnetismo y el electromagnetismo, en el desarrollo de la ciencia y su aplicación en la tecnología. En la parte correspondiente al electromagnetismo, se incluye un subtema que invita a la reflexión acerca del enorme impacto social y cultural que representa el avance de la ciencia en general y en particular de la Física, cuyas contribuciones a las diferentes disciplinas son de enorme trascendencia. En resumen, los grandes temas que incluye la asignatura de Física II son los siguientes:
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Unidad I: Hidráulica. Unidad II: Calor y temperatura. Unidad III: Electricidad, magnetismo y electromagnetismo.
Objetivo de la asignatura
Demostrarás el manejo y aplicación de los principios y las leyes de la física, a partir de la relación de la hidráulica, el calor y la temperatura así como la electricidad, el magnetismo y el electromagnetismo; utilizando métodos y técnicas de consulta e investigación documental, vía Internet y de campo, que te posibiliten la problematización, discusión, resolución de problemas y la aplicación ética de la ciencia, dentro del marco de las interacciones entre la física, la tecnología y la sociedad; asumiendo una actitud de respeto y cuidado del medio ambiente.
¿Qué voy a aprender? HIDRÁULICA Objetivo de la unidad : Resolverás 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 tu vida cotidiana; mostrando actitudes de interés científico en un ambiente de cooperación, responsabilidad y respeto hacia tus compañeros.
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UNIDAD
¡Bienvenido a esta nueva etapa de tu aprendizaje que complementará tus conocimientos acerca de la física! En esta ocasión veremos cómo la física ha servido al desarrollo de la ciencia y la tecnología tanto de nuestra civilización como de las antiguas y como seguirá brindando herramientas y avances insospechados a las civilizaciones futuras. Como te habrás dado cuenta, la asignatura de Física, además de proporcionarte nuevos conocimientos, conceptos y aplicaciones que se pueden utilizar en la vida diaria, tiene también por objetivo estimular tu capacidad de razonamiento para que puedas analizar y resolver de mejor manera un problema, interpretando los datos que te proporciona e infiriendo el camino a seguir para su solución. Esto es de gran importancia puesto que sabiendo qué información se te ofrece y qué es lo que se te está preguntado podrás buscar todas las alternativas posibles para dar respuesta correcta al problema utilizando las bases teóricas y las ecuaciones necesarias. De esta forma podrás ejercitar tu capacidad de abstracción y visualizar en tu imaginación, como si fuera una película, el fenómeno en cuestión. Finalmente, cuando hayas llegado a una solución deberás comprobarla y en caso de no ser correcta, habrás de retomar el proceso para alcanzar la verdadera solución. En conclusión, la física tiene entre sus objetivos principales que aprendas a utilizar el método científico para el abordaje y la solución de problemas. Por otra parte, siempre que estés resolviendo un ejercicio o problema, es muy conveniente que vayas analizando cada resultado, es decir, que no sólo trates de aplicar fórmulas y meter números a tu calculadora, sino más bien debes tratar de razonar sobre lo que estás haciendo. Lo que queremos decirte, es que, por ejemplo, si tienes que hacer una conversión de unidades de kilogramos a libras, antes de empezar a escribir números debe existir de tu parte un análisis previo del posible resultado, lo cual te orientará cuando después de hacer cálculos llegues al resultado final y puedas entonces tener la certeza de haber resuelto correctamente el problema. Si se nos pide convertir a libras la masa de una persona que es igual a 70 kg, lo primero que debes tener es un factor de conversión (1 lb = 0.454 kg). Razonando sobre esta igualdad puedes darte cuenta de que una libra es un poco menos de medio kilogramo y, en consecuencia, por cada kilogramo tendremos un poco más de 2 libras. Así pues,
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podemos deducir que nuestro resultado deberá ser próximo y un poco mayor a las 140 libras, es decir, si al momento de introducir tus números a la máquina tuviste un llamado “error de dedo” y te arrojó valores muy diferentes al esperado sabrás que, en este caso especial deberás repetir el cálculo más cuidadosamente y no quedarte con la primera cifra que hayas obtenido para no dar una respuesta incorrecta a este problema. Todo esto –como tratamos de evidenciar– lo logramos sin ninguna otra herramienta que el factor de conversión y nuestra capacidad de análisis. Esta visión al momento de trabajar en física y de manera general en todos los aspectos de la vida, te ayudará a resolver una situación de manera contundente y efectiva. Entremos ahora un poco en materia de lo que verás en esta primera de tres unidades del programa de Física II . El título de la unidad es Hidráulica, que quizá pudiera sugerirte que se trata de algo que tiene que ver con el agua, por lo de “hidro”, sin embargo esto no es totalmente exacto, porque en efecto, estudiaremos el comportamiento, las propiedades y efectos del agua, pero no exclusivamente, puesto que dirigiremos nuestra atención en general a todas aquellas sustancias llamadas fluidos, que incluyen a los gases y l os líquidos. Revisaremos los teoremas y principios que explican su comportamiento y conoceremos algunos de los personajes que hicieron aportes importantes para su comprensión.
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Los fluidos pueden estar “quietos” o pueden estar en movimiento. La Hidrostática se ocupa del estudio del comportamiento y de los modelos matemáticos de los fluidos en reposo. La Hidrodinámica, por su parte, estudia a los fluidos en movimiento y la forma en que sus propiedades se aplican al desarrollo de herramientas y maquinaria que facilitan la vida de nuestra sociedad. El siguiente esquema nos muestra la organización de los temas de la Unidad: Hidráulica
que aborda Mecánica de fluidos
por medio de la
Hidrostática
que estudia Líquidos en reposo
Hidrodinámica
que estudia Líquidos en movimiento
Fuentes de consulta
Bibliografía: Los textos que listamos a continuación te serán de gran utilidad para la ampliación de algún tema o para que resuelvas dudas que te surjan durante el curso, te recomendamos su consulta. • Hewitt, Paul G. Física Conceptual. 9a ed., México, Pearson Educación, 2004. • Pérez Montiel, Héctor. Física 2 para Bachillerato General . 2ª ed., México, Publicaciones Cultural, 2003. • Tippens, Paul, E. Física, Conceptos y Aplicaciones. 6ª ed., México, McGraw–Hill, 2001. • Giancoli, Douglas C. Física y aplicaciones. 4ª ed., México, Prentice Hall, 1999. • Hecht, Eugene. Física, Álgebra y Trigonometría. México, Thompson, 1999. • Pérez Montiel, Héctor. Física General. 3ª ed., México, Publicaciones Cultural, 2006. • Serway, Raymond A. Física,Tomo 1. 4a ed., México, McGraw–Hill, 1996.
Enciclopedia Encarta: • Fluido • Hidráulica • Mecánica de fluidos • Principio de Arquímedes
Sitios Web: • http://es.wikipedia.org/wiki/Hidrost%C3%A1tica y sus ligas. • http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_hidrost%C3%A1tica y sus ligas. • http://www.monografias.com/trabajos35/hidrostatica-hidrodinamica/hidrostatica-hidrodina mica.shtml • http://www.walter-fendt.de/ph11s/buoyforce_s.htm • http://www.fisicanet.com.ar/fisica/dinamica_fluidos/ap01_hidrodinamica.php
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¿Cómo aprendo? • Wilson, Jerry D. Física. 2a ed., México, Pearson Educación, 1996.
1.1. HIDROSTÁTICO Objetivo temático: Resolverás problemas de hidrostática, tales como densidad, peso específico, presión, principio de Pascal y principio de Arquímedes, a partir del razonamiento analógico de sus conceptos, mediante el uso de modelos matemáticos y la experimentación aplicada de los principios y leyes de la física.
Quizá en más de una ocasión habrás escuchado la palabra hidráulica o el término hidráulico, ya que en varios instrumentos o herramientas como la dirección hidráulica, el gato hidráulico, la prensa hidráulica o la construcción de barcos, se utilizan las propiedades de los líquidos y su diseño se basa en el estudio de las propiedades de los fluidos.
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Los contenidos que veremos en este tema son los siguientes: 1.1.1. Concepto e importancia del estudio de la hidráulica y su división. 1.1.2. Características de los líquidos: viscosidad, tensión superficial, cohesión adherencia y capilaridad. 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. 1.1.1. Concepto e importancia del estudio de la hidráulica y su división. La hidráulica es la rama de la física que estudia el comportamiento de los líquidos, pero ésta a su vez se divide en hidrostática e hidrodinámica. Como punto de partida estudiaremos a la hidrostática, es decir, la rama de la hidráulica, que se encarga de estudiar a los fluidos (en particular a los líquidos) sin movimiento. Actividades: 1. Como principio es necesario que investigues junto con dos de tus compañeros las
definiciones de hidráulica. Es importante que consulten por lo menos tres fuentes distintas, que pueden ser tres textos diferentes, algunos sitios de Internet, la enciclopedia Encarta, etc., para que en equipo construyan su propia definición de hidráulica y elaboren un mapa mental de ésta y su división. 2. Transcribe las definiciones que encontraste y posteriomente anota la definición de hidrostática que elaboraste con tus dos compañeros: Fuente 1:________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Fuente 2:________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Fuente 3:________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
11 Nuestra definición:________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 3. En el siguiente espacio dibuja un mapa mental sobre la hidráulica y sus divisiones.
1.1.2. Características de los líquidos: viscosidad, tensión superficial, cohesión, adherencia y capilaridad Como puedes darte cuenta, un concepto nuevo que estaremos manejando a lo largo de la unidad será el de fluidos, por lo tanto es importante definir qué son, ya que nos aprovecharemos de sus propiedades físicas, para aplicarlas y realizar trabajos con menos esfuerzo, con la ayuda de valiosos estudios, teoremas y principios. 4. Con la ayuda de la bibliografía existente en tu Centro y los recursos disponibles como la enciclopedia Encarta, Internet, etc, investiga los siguientes conceptos y escribe sus definiciones en tu cuaderno, comenta tus respuestas con tus compañeros y asesor para unificarlas.
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• Estado sólido. • Estado líquido. • Estado gas. • Estado plasma. • Fluidos. • Viscosidad. • Densidad. • Tensión superficial. • Cohesión. • Adherencia. • Capilar. • Capilaridad. 5. Apoyándote en los conceptos que investigaste, coloca delante de cada frase la palabra que dé respuesta correcta a cada una; posteriomente ubícala en la sopa de letras. a) En el sistema internacional sus unidades son poiseville:_______________________ b) Su volumen es afectado de manera importante por la temperatura:_____________ c) Se presentan en estado de gas y líquido:___________________________________ d) Son incompresibles:____________________________________________________ e) Es una especie de tubo muy delgado:______________________________________ f) Se presenta a temperaturas de 5000°C en adelante:__________________________ g) Es la fuerza de atracción que se manifiesta entre las moléculas de dos sustancias diferentes en contacto:______________________________________________________ h) Tiene la propiedad de actuar como una fina capa en la superficie de un líquido: _____________. i) Debido a esta propiedad, dos gotas de agua al acercarse forman una sola gota de mayor tamaño:_____________________________________________________________ j) Presentan una superficie libre horizontal:___________________________________ k) Sus unidades en el sistema Internacional son los kg/m3:______________________
C R A P P A I V L M L A A D P A O S A S C A E F D R I G Y F G J L A
U E O R N N A O S B E E N N U A S P I D E C O L I O L S D A M S A S I S E D C M L M S O G O O A R I N N S S O V I A T I J L C N L M G E H A L I T Y R R W E S A R E E 4 G Y T D S Q K H S O D I I C I F R E
C U A U T N E S D I A R O Z D N A M D E C S A G P I Q A E R D E I F A F Q Q D T U S F H I U L F P U S
O A V A O S E N U C U R F D T D N
C N T S M E A I G L O A L Y A I M O S E R T E R N A M S O Q T E I T T U G G 3 E S D 5 X C A Z W O I S
Y U G J S R D S V C G A S A R Z S D N F N H E O R E A N R R A N S G H I D I G J E L D V E U O A A S U Q D D W S O I U T R E G H U 4 D H G K R F S O U E Ñ C B C N E T N J
1.1.3. Densidad y peso específico Existen dos variables físicas que comúnmente se confunden, la masa y el peso de un cuerpo. Ambas dan origen a la diferencia entre densidad y peso específico al relacionarse con el volumen que ocupa un cuerpo, por lo tanto, es importante tener claro qué significa cada uno de éstos términos. 6. Consulta los recursos disponibles en tu Centro y contesta las siguientes interrogantes en tu cuaderno: a) ¿Qué es la masa de un cuerpo? b) ¿Cuáles son sus unidades en diferentes sistemas de unidades? c) ¿Con qué se mide? d) ¿Qué es el peso de un cuerpo? e) ¿Cuáles son sus unidades en el Sistema Internacional? f) ¿Con qué se mide? g) ¿Cómo se relacionan la masa y el peso? Expresa la relación matemática. h) ¿Qué es el volumen de una substancia? i) ¿Cuáles son sus unidades? j) ¿Cómo se mide el volumen de un sólido regular? k) ¿Cómo se mide el volumen de un sólido irregular? l) ¿Con que se mide el volumen de un líquido?
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m) ¿Qué es un picnómetro? 7. Completa los espacios en blanco de la siguiente tabla y no dejes de consultar a tu asesor sobre cualquier duda que se te presente durante tus investigaciones o actividades. Definición
Unidades en el SI ¿Con qué se mide?
Masa Peso Volumen
Ahora que tenemos claros estos conceptos será más sencillo comprender qué es la densidad y qué es el peso específico, así como las unidades en que se expresan.
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Cuando hablamos de la densidad o del peso específico de un cuerpo nos estamos refiriendo a propiedades físicas intensivas y que son propias de cada substancia. Estas propiedades hacen más fácil establecer diferencias entre los distintos materiales. Tanto la densidad como el peso específico son afectados por variables físicas como la presión y la temperatura, aunque el impacto depende del tipo de fluido, es decir, la densidad de un líquido cambia mucho menos en comparación con la densidad de un gas, si estas variables se modifican. Asimismo, la temperatura afecta a la densidad de un fluido de manera inversa, al incrementar la temperatura de una substancia, la densidad de dicha substancia disminuye y viceversa, al disminuir la temperatura, la densidad de un fluido aumenta. 8. Investiga la definición de densidad y peso específico, sus unidades, cómo se puede calcular y completa la tabla: Definición Densidad Peso específico
Unidades en el SI
Modelo Matemático
9. Actividad experimental
Formen equipos de 4 a 6 integrantes y consigan las sustancias u obje tos que se enlistan. Investiguen, además, las densidades de cada sustancia. • 100 ml de alcohol. • 100 ml de aceite. • 100 ml de agua. • 1 trozo pequeño de lámina de lata de aluminio. • 1 trozo de PVC o plástico. • Palillos de madera para dientes. • 1 recipiente transparente de vidrio o plástico de 500 mL Procedimiento: A. Corta cada palillo en 4 partes aproximadamente iguales. En cada prueba utilizarás uno de los trozos obtenidos, evitando con ello que se contaminen las soluciones. B. Coloca en el recipiente los 100 mL de agua y un trozo de madera, ¿qué sucede? C. Devuelve el fluido a su recipiente original, limpia perfectamente el recipiente donde hiciste la prueba. D. Agrega ahora 100 mL de aceite y otro trozo de palillo, ¿qué sucede? E. Repite el paso C y agrega ahora 100 mL de alcohol y otro trozo de palillo, ¿qué sucede? F. Repite el paso C. Ahora es importante que agregues todas las substancias en el recipiente, incluyendo los trozos de madera que no usaste, en el siguiente orden: agua, aceite, alcohol, aluminio, plástico y finalmente los trozos de madera. Es importante que al agregar las substancias líquidas, lo hagas despacio y por la pared del recipiente, para que no sea tan brusca la adición, ya que el alcohol y el agua son miscibles. Deja reposar un momento, checa los datos de densidades de cada substancia y observa lo que sucede. G. Anota tus conclusiones en el espacio siguiente: 10. Con las conclusiones de la actividad anterior te será fácil contestar las siguientes preguntas en tu cuaderno: • ¿Qué sucede si mezclas dos sustancias insolubles entre sí (no miscibles) con dife-
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rentes densidades Con las conclusiones de la actividad anterior te será fácil contestar las siguientes preguntas en tu cuaderno: • ¿Qué sucede si mezclas dos sustancias insolubles entre sí (no miscibles) con diferentes densidades? • ¿Por qué se eleva un globo aerostático al calentar el aire en su interior? • ¿Cuál es la razón por la que el hielo flota en el agua? • ¿Por qué en un calentador de agua el suministro de energía se encuentra en la base y la toma de agua caliente está en la parte superior? 11. Utilizando los modelos matemáticos de densidad y peso específico que has investigado, resuelve los siguientes ejercicios. No olvides homogeneizar las unidades de las variables antes de introducirlas a las fórmulas correspondientes, para esto es necesario que investigues los factores de conversión de las variables involucradas. a) Factores de conversión de Masa: b) Factores de conversión de Volumen:
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c) Factores de conversión de Fuerza: d) Calcula la densidad de una sustancia “X”, cuya masa es de 30 g y ocupa un volumen de 29 cm3 e) ¿Cuál será la masa de una sustancia, si sabemos que su densidad es de 0.750 g/cm3 y ocupa un volumen de 0.5 L? Expresa tu resultado en unidades del SI. f) El peso específico de cierta sustancia es de 8,918 N/m3, ¿qué volumen ocuparán 500 g de esta sustancia? g) Cuenta una leyenda que hace mucho tiempo un rey trató de poner a prueba la inteligencia de uno de sus matemáticos y le pidió que calculara el volumen de oro que tenía su corona. El matemático sabía que la densidad del oro puro era de 19.32 g/cm3 y que la corona del rey pesaba 4.9 Newtons, ¿cuál era el volumen de oro en la corona del rey?
1.1.4. Presión, presión hidrostática, presión atmosférica, presión manométrica y presión absoluta Otra variable física que tiene gran importancia en el estudio de los fluidos es la presión, que de manera general se define como el resultado de la Fuerza aplicada por unidad de área, donde la fuerza debe ser aplicada perpendicularmente a la superficie o área. Su modelo matemático es el siguiente: P=F/A Donde en el SI: P=Presión (Pascales=Pa) F=Fuerza aplicada (Newton=N) A=Área que recibe la fuerza (m2) Los principales factores de conversión de presión son los siguientes: 1 N/m2 1 dina/cm2 1 atm 1 atm 1 atm 1 mm de Hg 1 atm 1 mm de Hg
= 1 pascal (Pa) = 1 bar = 14.7 lb/plg2 (psi) = 760 mm de Hg = 1.013 ×105 Pascales = 133.2 Pascales = 760 Torr = 133.2 N/m2
La atmósfera de la Tierra se divide en cuatro capas, siendo de ellas la tropósfera la que se encuentra en contacto con la superficie, extendiéndose hasta una altura media de 12 km. En esta región de la atmósfera es donde se encuentra el aire, que es una mezcla de diferentes gases: 78% de Nitrógeno, 21% de Oxígeno y 1% de otros gases, de modo que sobre nuestras cabezas se encuentran moléculas de dichos gases, los cuales tienen un peso y ejercen una presión sobre todo lo que está en la superficie terrestre. A medida que subimos en la tropósfera la cantidad de esos gases disminuye, es por eso que algunas personas que han escalado el Everest requieren de tanques de oxígeno, pues a esas alturas el aire es menos denso y no es suficiente para satisfacer su demanda de oxígeno. Pero al nivel del mar tendremos sobre nosotros mayor cantidad de moléculas de los gases del aire, por lo tanto un mayor peso (fuerza) y mayor presión, la presión ejercida a nivel del mar es de 760 mm de Hg o 1 Atm. y se considera una presión estándar, que también se define como la Presión atmosférica.
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vacio
Mercurio
Presión atmosférica
76cm
El instrumento de medición es conocido como barómetro y fue desarrollado por el físico Italiano Torricelli en 1643 y demostrado matemáticamente en 1948 por el matemático francés Blaise Pascal, este instrumento consistía en un tubo de vidrio que era llenado por mercurio, después, éste se invertía sobre un recipiente con mercurio también, debido al peso de las moléculas del mercurio, el nivel dentro del tubo descendía hasta una altura de 760 mm sobre el nivel del recipiente donde se colocó el tubo, si la presión ejercida por la atmósfera es mayor o menor, actuará sobre la superficie libre del mercurio provocando que la columna de líquido dentro del tubo, suba o baje respectivamente. Patm = dHggh
Esquema de un barómetro.
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12. Auxiliado por los medios disponibles en tu Centro investiga los siguientes conceptos, anota en tu cuaderno sus definiciones, instrumentos de medición y modelos matemáticos de aquellas que apliquen: • Presión hidrostática. • Presión manométrica. • Presión absoluta. • Área de un círculo, rectángulo. 13. Ahora subraya la palabra que satisfaga las siguientes oraciones. Recuerda consultar a tu asesor si surgen dudas en el desarrollo de tus actividades. a) La presión hidrostática (depende / no depende) de la altura del líquido desde su superficie hasta el punto de medición. b) El instrumento utilizado para medir la (presión absoluta / presión manométrica) es el manómetro. c) La (presión absoluta / presión hidrostática) resulta de sumar la presión atmosférica y la (presión hidrostática / presión manométrica) d) En el interior de una alberca a mayor profundidad sentiremos (mayor / menor) presión (atmosférica / manométrica / absoluta). e) El barómetro es el instrumento utilizado para medir la presión (atmosférica / manométrica).
f) Las unidades para medir la presión en el SI son (kg/cm2 / Pascales).
14. Actividad experimental A. Necesitas un recipiente de plástico vacío (puede ser una botella de refresco) al cual perforarás en dos partes, practicando orificios de diferente diámetro, ambos a la misma altura de la base. B. A continuación uno de tus compañeros debe colocar sus dedos en las perforaciones mientras tú te encargas de llenar el envase con agua. C. Ahora, tu compañero debe quitar los dedos de los orificios, observa lo que ocurre y anota tus conclusiones. _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________ _______________________________________________________ 1.1.5. Principio de Pascal Hemos visto en el apartado anterior que un líquido produce una presión hidrostática debido a su peso. Sin embargo, si el líquido se encierra en un recipiente hermético puede aplicársele otra presión mediante un émbolo. Esta presión, por la incompresibilidad propia de los líquidos, se transmitirá íntegramente en todos los puntos del mismo. El famoso físico francés Blaise Pascal (1623 -1662) experimentó largamente con líquidos en las condiciones mencionadas y le permitió enunciar el 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 contiene.
Una de las aplicaciones principales del principio de Pascal se encuentra en la llamada prensa hidráulica que es utilizada en las “llanteras” y talleres mecánicos para elevar los vehículos con facilidad para efectuar las reparaciones necesarias. 15. Para abordar este tema es necesario que investigues a través de los medios disponibles en tu Centro los siguientes puntos y los anotes en tu cuaderno, para posteriormente realizar un resumen que los incluya: • ¿En qué consiste el principio de Pascal? • ¿Dónde se aplica?
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• ¿Qué beneficios presenta? • Realiza un dibujo de la prensa de hidráulica. • Anota la fórmula para calcular el empuje obtenido en una prensa hidráulica. 16. Con la información que recabaste y el apoyo de tu asesor, debes colocar las palabras que se listan a continuación en los espacios correspondientes para dar sentido al texto. • presión • reposo • barcos • densas • Arquímedes • menos • transporte • prensa • igual • Pascal
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Blaise ____________fue uno de los personajes que realizaron aportaciones importantes para el estudio de los fluidos en ______________, al presentar el principio que lleva su nombre y establece que la ________________ ejercida en las moléculas de un líquido se transmite exactamente igual en todas las direcciones, por lo que se ha utilizado tal principio para desarrollar mecanismos donde se aplique una _____________muy pequeña y se obtenga una de mayor magnitud, esto sólo con las consideraciones de que la presión en cualquier parte del líquido es ______________. Este instrumento es la ____________ hidráulica y se utiliza para levantar objetos muy pesados como automóviles, es utilizada también en el sector industrial, para molinos, sistema de frenado y dirección de automóviles entre otras aplicaciones. Otras aportaciones importantes en el estudio de los fluidos en reposo fueron las que el matemático griego ___________________realizó, entre las cuales el principio que lleva su nombre y que ha servido para desafiar la naturaleza de las sustancias, pues gracias a este principio es posible hacer que sustancias más ______________(pesadas) que el agua puedan mantenerse a flote. Es verdad que la madera es _________ densa que el agua y por eso en la antigüedad las balsas y medios de ____________ acuáticos eran de este material, pero en la actualidad y gracias al Principio de _____________ es posible construir _________ de metal que pesan toneladas, transportando gran cantidad de personas, autos y hasta aviones en su superficie.
1.1.6. Principio de Arquímedes Es fácil observar que si tomas un trozo de madera y tratas de hundirlo en el agua totalmente, percibirás que una fuerza ascendente, proveniente del líquido lo empujará hacia arriba. El matemático y físico griego Arquímedes, basándose en hechos como el que acabamos de describir, enunció este principio: Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado.
Esta es la razón por la cual podemos ver flotar en el mar a los grandes trasatlánticos y portaaviones, puesto que se han diseñado de manera que aprovechen todo el empuje que les da su peso para obtener, por parte del agua, el empuje ascendente necesario para mantenerlos flotando. 17. Investiga en los medios a tu alcance sobre el Principio de Arquímedes y responde este cuestionario: • ¿En qué consiste el Principio de Arquímedes? • ¿Dónde se aplica? • ¿Qué es la Fuerza de empuje o Empuje y cómo es la fórmula para cuantificarlo? • ¿Cómo se calcula el peso aparente de un objeto? • ¿Cómo podemos hacer flotar en el agua un material con mayor densidad que ésta? • ¿Cuándo flota un cuerpo en la superficie de un líquido? • ¿Cuándo se hunde un cuerpo en un líquido? 18. Analiza con atención los siguientes problemas resueltos para que te sea más fácil resolver los ejercicios propuestos. A. Un buzo se interna en las profundidades del mar (densidad =1,020 kg/m 3 ) con el fin de extraer una muestra de un buque hundido, pero su traje no puede soportar más de 2.5 atmósferas. Calcula cuál es la profundidad máxima a la que puede descender sin riesgo de que su traje colapse. 5 Solución: Ph=2.5atm 1.013 × 10 Pa= 253, 250 Pa 1 atm Lo primero que tenemos que hacer es poner las unidades de nuestros datos en un sistema, es decir, homogeneizar las unidades antes de introducirlos a la fórmula. Fórmulas: 1.103 × 105 Pa= 2 × 105 Pa P= F/A A=π•r2 1 atm Datos:
Ph = 2.5 atm
2.54 cm = 0.635 cm = 0.00635 m 1 plg
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ρ = Densidad
del agua de mar = 1,020 kg/m 3
Ph= (ρ)(g)(h)
Para este caso necesitamos despejar la altura (h), que es el dato que nos pregunta el problema y nos queda: Despeje: h= Ph/(ρ×g)
Sustitución: h=253,250/(1,020×9.8)= 25.33 m
B. ¿Cuál es la fuerza que se requiere aplicar a un émbolo de una jeringa, si sabemos que el diámetro del émbolo es de 0.25 plg y la presión que resulta es de 1.8 atm? Solución: Al igual que en el ejercicio anterior es necesario homogeneizar unidades antes de introducir datos a las ecuaciones. Datos: P=1.8 atm 1.013 E5 Pa 1Atm
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=182 340Pa
1m d = 0.25 plg 2.54 cm =0.00635m 1plg 100cm Con éste diámetro podemos conocer el radio, pues es la mitad, por lo tanto: r= 0.00635 m/2 = 0.003175 m Calculando el área: A=(3.1416)(0.003175)2 = 3.16693 x 10-5 m2 Despejando la Fuerza: F= P•A -5) = 5.77 Newton
Sustituyendo: F= 182,340(3.16693 × 10-
C. En el siguiente esquema de una prensa hidráulica se pretende levantar en el émbolo mayor un auto que pesa 24,500 Newton. El diámetro del émbolo donde está el auto es de 2.6 m y el diámetro del émbolo donde debemos aplicar la fuerza es de 50 cm. Calcula la fuerza que debe aplicarse en el émbolo menor. Para aplicar las fórmulas asignaremos el número 1 al
émbolo mayor y 2 al émbolo menor. Datos: F1= 24500 N
Fórmulas: Como P1= P2
⇒
d1= 2.6 m ⇒ de aquí podemos deducir que r1= 1.3 m d2= 0.5 m ⇒ de igual modo deducimos r2= 0.25 m
F1 / A1 = F2 / A2 A= π•r2
Ahora calculemos las áreas correspondientes: A1= 3.1416(1.3)2 = 5.31 m2 A2= 3.1416(0.25)2= 0.196 m2 Es momento de despejar F2 quedando de la siguiente manera: Sustituyendo datos: = 904.33 N
F2= F1A2/A1
F2= 24,500(0.196)/5.31 1.3m
D. ¿Cuál es la presión hidrostática en los puntos A y B del siguiente recipiente que contiene agua. La densidad del agua es igual a 1000 kg/ 1.0m m3 En este caso es indispensable no considerar da- 1.5m tos inútiles, ya que la presión hidrostática sólo es afectada por la altura medida desde el punto de muestreo hasta la superficie del líquido, es decir, la altura que debemos considerar para 2.2m calcular la PhA es de 1.0 m +1.5 m, y para PhB es sólo de 1.0 m
B Agua A
De lo anterior: Datos: ρ=1000 kg/m3 Pa hA= 3.5 m Pa hB= 1.0 m g= 9.8 m/s2
Fórmula: Ph=p•g•h
Sustitución: PhA= (1000)(9.8)(3.5)= 34,300 PhB= (1000)(9.8)(1.0)= 9,800
F. Un cubo de acero de 80 cm por lado, se sumerge en agua cuya densidad es de 1000 kg/m3. Si el cubo tiene un peso de 5,200 N, calcular: a) El volumen que desaloja de agua. b) El empuje que recibe. c) El peso aparente del cubo dentro del agua.
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Solución: a) Aunque no se nos proporcione directamente el volumen del cubo, lo podemos calcular, pues el volumen se expresa V=L•L•L (V=L3), y convirtiendo los 80 cm a metros nos queda: Vcubo=(0.8 m)3=0.512 m3 b)
Datos:
Fórmula:
Sustitución:
Resultado:
Vcubo= 0.512 m3 ρagua= 1000 kg/m3
E= ρagua× g × Vcubo
E= 1,000(9.8)0.512
E= 5,017.6 N
c) Datos: Vcubo= 0.512 m3
Fórmula: Wap= W - E
Sustitución: Wap= 5,200 - 5017.6
Resultado: Wap=182.4 N
E=1000 kg/m3 19. Resuelve los siguientes ejercicios que te proponemos. Guíate por los ejercicios ya resueltos y pide la ayuda de tu asesor para disipar las dudas que pudieras tener.
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A. Calcular la fuerza que se obtendrá en el émbolo menor de una prensa hidráulica de un diámetro de 10 cm, si en el émbolo mayor de 45 cm se ejerce una fuerza de 8500 N B. ¿Cuál es la profundidad a la que se encuentra un buzo dentro del mar si soporta una presión hidrostática de 10,000 Pa? La densidad del agua de mar es de 1020 kg/m 3 C. Calcular la densidad y el peso específico de 100 g de oro en unidades del SI, si se sabe que esa masa ocupa un volumen de 5.1813 mL. D. Un cubo de acero de 90 cm por lado, se sumerge en agua cuya densidad es de 1000 Kg/m3. Si el cubo tiene un peso de 7000 N, calcular: a) El peso específico del cubo. b) La densidad del cubo. c) El empuje que recibe. d) El peso aparente del cubo dentro del agua.
1.2. HIDRODINÁMICA Objetivo temático: Resolverás problemas de aplicación práctica de hidrodinámica, mediante el análisis, aplicación crítica y reflexiva de sus conceptos, principios, teoremas, modelos matemáticos, así como las características del movimiento de los cuerpos sólidos en los fluidos.
En el primer tema de esta unidad nos dedicamos al estudio de los fluidos en reposo, que son el objeto de estudio de la Hidrostática. Sin embargo, es frecuente encontrar fluidos en movimiento y su comportamiento es estudiado, en tales condiciones, por la Hidrodinámica. Así pues, en este tema fijaremos nuestra atención en lo que sucede cuando un fluido está en movimiento, ya sea que se encuentre confinado en una tubería o circule por un cauce, como en los ríos. Veremos cómo las aplicaciones de la Hidrodinámica están presentes en diversos campos, entre los cuales destaca el diseño aerodinámico de aviones y otros vehículos. 1.2.1. Concepto de hidrodinámica y sus aplicaciones 1. En equipos de tres integrantes investiguen las definiciones de hidrodinámica, basándose en tres fuentes distintas, como hicieron con la hidrostática, para tener un concepto propio. Fuente 1:________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Fuente 2:________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Fuente 3:________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ Nuestra definición:_______________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 2. Investiga en los recursos que tengas a tu alcance y contesta las siguientes preguntas anotando las respuestas en tu cuaderno: a) ¿Qué es la dinámica de fluidos? b) Menciona las aplicaciones de la Hidrodinámica.
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c) ¿Qué es un balance de masa? d) ¿Qué consideraciones hace la hidrodinámica sobre los fluidos para hacer más fácil su estudio en cuanto a compresibilidad, viscosidad y tipo de flujo? 1.2.2. Gasto y ecuación de continuidad Varios fluidos, entre los que se cuenta el agua potable, circulan por una tubería para poder llegar a nuestros hogares. Para calcular la cantidad de líquido que fluye en un tiempo determinado por una tubería, se acuñó el concepto de “gasto”. Asimismo, para poder determinar variaciones en la presión, en la energía potencial o cinética de un fluido cuando circula por un ducto, se utiliza la ecuación de continuidad. Ambos temas son nuestro objetivo de aprendizaje y para ello te invitamos a emprender con entusiasmo las actividades propuestas. 3. Emplea todos los medios a tu alcance para indagar sobre qué es el gasto, cómo se calcula y qué es la ecuación de continuidad. Responde a las preguntas siguientes: a) ¿Qué es el gasto, cómo se calcula y cuáles son sus unidades? b) ¿Qué es el flujo, cómo se calcula y cuáles son sus unidades? c) ¿Cuál es el modelo matemático de la ecuación de continuidad?
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4. A continuación revisa atentamente los ejercicios resueltos que te presentamos para que te sirvan de guía y te sea fácil resolver los ejercicios propuestos más adelante. a) ¿Cuántos metros cúbicos de agua por segundo pasarán por una sección de tubo cuyo diámetro es 1.5 cm, si la velocidad del fluido es de 3.2 m/s Solución: En este ejercicio la variable que nos piden calcular es el gasto y como pista nos indican las unidades en las que debemos reportar el resultado. Datos: d= 1.5 cm ⇒ r= 1.5/2= 0.75 cm convirtiendo al SI: v= 3.2 m/s Calculando el área: A=πr2 A=3.1416(0.0075)2= 0.000176715 m 2 = 1.76 x 10-4 m2 Sustituyendo en la ecuación del gasto: Fórmula G= 0.000176715(3.2)= 5.65 x 10 m /s 1 m = 0.0075 m 0.75 cm 100 cm -4
3
G=A•v
b) ¿Cuánto tiempo tardará en llenarse un tanque de 33,000 L, si se le suministra un gasto de 300 L/min? Datos: G= 300 L/min V= 33,000 L
Fórmula: G= V/t
Despeje: t= V/G
Sustitución y resultado: t= 33,000/300 = 110 min
c) Determinar el diámetro que debe tener una tubería, para que el gasto de agua sea de 0.5 m3/s a una velocidad de 10 m/s Datos: G= 0.5 m3/s v= 10 m/s
Fórmula: G= A•v
Despeje: A= G/v
Sustitución y resultado: A= 0.5/10 = 0.05 m2
5. Ahora resuelve los siguientes ejercicios, comparando tu solución con la de tus compañeros. Solicita la ayuda de tu asesor para disipar dudas. a) Una alberca con capacidad para 100 m 3 se pretende llenar con 2 mangueras que tienen un gasto de 150 L/min cada una. Calcula el tiempo que tardará en llenarse la alberca. b) Una pipa con 25 Toneladas de alta fructosa se descarga en 1 h. Calcula el gasto y el flujo que maneja la bomba de descarga. 1.2.3. Teorema de Bernoulli y sus aplicaciones En el ámbito de la hidrodinámica, es decir, dentro del estudio de los fluidos en movimiento, el teorema de Bernoulli tiene una importancia especial porque se refiere, en pocas palabras, a la expresión de la ley de la conservación de la energía. Según este principio la suma de las energías potencial, cinética y de presión de un líquido en movimiento en un punto determinado es igual a la de otro punto cualquiera. Las aplicaciones del teorema de Bernoulli están presentes en el funcionamiento de los aviones, en los tubos de Venturi y en los tubos de Pitot que se emplean para medir velocidades de fluidos. Conforme avances en el estudio de estos temas obtendrás mayores precisiones sobre las aplicaciones específicas de este teorema. 6. Haz uso de todos los medios que estén a tu alcance e investiga sobre el teorema de Bernoulli y sus aplicaciones. Para guiarte hemos anotado una serie de preguntas. Trata de responderlas y compáralas con las de tus compañeros. Pide, en caso de duda, el apoyo de tu asesor. a) ¿Qué expresa el teorema de Bernoulli?
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b) ¿Bajo qué supuestos se aplica el teorema de Bernoulli? c) ¿Cuál es su modelo matemático? d) ¿Para qué se utiliza un tubo de Pitot y cuál es el modelo matemático que lo rige? e) Realiza un esquema que muestre cómo es un tubo de Pitot. f) ¿Cómo funciona un tubo Venturi y qué modelo matemático utiliza? g) Realiza el esquema representando un tubo Venturi. 7. Valiéndote de la información que has recopilado, escribe el significado de cada uno de los siguientes conceptos. Esta actividad te servirá como repaso y resumen. • Flujo • Constante • Hidrodinámica • Velocidad • Tubo de Pitot • Viscosidad • Movimiento • Energía • Ecuación • Fluido • Bernoulli • Gasto • Incompresibilidad 8. Ubica, ahora, cada palabra de la lista anterior en el espacio que le corresponda:
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La ______________ también se le conoce como dinámica de fluidos, ya que se encarga de _______________ a los fluidos en________________. Para hacer manejable el estudio de estos fluidos hace una serie de consideraciones como su _______________ _, es decir que no sufren cambio en su volumen. También considera que la ________ _________ es despreciable para evitar los gastos de energía cinética por fricción y que su _______________es de régimen estacionario. Cuando se estudian a los _______________en movimiento, se deben de considerar variables cinéticas como el flujo, el _______________ y la velocidad, mediante los modelos matemáticos que los describen. El físico suizo Daniel _______________realizó estudio de fluidos en movimiento y postuló su teorema en el cual se establece que la suma de las ___________potencial, cinética y de presión de un fluido en movimiento es ______________y sólo existe transformación de energía de un tipo a otro. También es imprescindible el balance de masa de los sistemas de fluidos en movimiento mediante la _______________de continuidad, la cual se expresa como A1•V1= A 2•V2 y nos dice que el producto de la velocidad de un fluido multiplicado por el área transversal por donde pasa, será siempre la misma, es decir que si existiera una reducción del área, esto se compensa con un incremento en su _________________. Tanto el _______________ como el tubo Venturi, son dispositivos cuya finalidad es cuantificar la_________________ de un fluido en movimiento en cierta sección de una tubería. 9. Revisa con atención la forma en que se han solucionado estos problemas de ejemplo. Haz tus notas de los detalles que hay que considerar para llegar a la solución
correcta y aplica lo aprendido para resolver los problemas propuestos. A. Por una tubería de 6 cm de diámetro fluye agua a 5 m/s, posteriormente la tubería sufre una reducción repentina hasta un diámetro de 3 cm. Calcula: a) La velocidad del agua en la parte estrecha de la tubería. b) El gasto al pasar a través de la parte angosta de la tubería. a) Datos: d1= 6 cm, por lo que: r1=6/2=3 cm = 0.03 m v1= 5 m/s d2= 3 cm, por lo que: r2= 3/2 =1.5 cm = 0.015 m v2 = ? En este caso será necesario utilizar la ecuación de continuidad: G1= G2 A1•v1= A2•v2 Despejaremos v2 obteniéndose:
v2= (A1•v1)/A2
Calculamos las áreas A1 y A2: A1=πr12 A1=3.1416(0.03)2= 2.827 x 10-3 m2 A2=πr22 A2=3.1416(0.015)2= 7.0686 x 10-4 m2 Sustituímos y encontramos el resultado: v2= (A1•v1)/A2 v2=(2.827 x 10-3)(5)/(7.0686 x 10-4)= 20 m/s b) G2= A2•v2 G2= (7.0686 x 10-4)(20)= 0.01414 m3/s B. ¿Cuál es la velocidad del fluido de densidad igual a 680 kg/m3 dentro de un ducto acondicionado con un tubo de Pitot y en el cual la columna de líquido se eleva hasta 7 cm? Datos: p= 680 kg/m3 (Este dato no nos sirve para este problema) h= 7 cm = 0.07m Fórmula: v= 2gh
Sustituyendo: v= 2(9.8)(0.07)
Resultado: v= 1.171 m/s
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10. Intenta la resolución de los siguientes problemas apoyándote en los resueltos. En caso de duda pide el apoyo de tu asesor y revisa la bibliografía con la que cuentes. a) Para limpiar la suciedad de un piso es necesario que el agua salga a una velocidad de 5 m/s, pero la toma de agua que es de 2.54 cm de diámetro y envía el agua a una velocidad de 2 m/s, ¿hasta qué diámetro se necesita reducir la manguera en la punta para poder obtener la velocidad requerida? b) La altura marcada en la columna de tubo de Pitot dispuesta en una tubería de agua es de 8 cm, ¿qué velocidad lleva el agua en ese punto? c) Se dispone de un tubo Venturi para verificar la velocidad de un líquido por una tubería. En la parte más ancha, la tubería tiene un diámetro de 6 plg y una presión de 150, 227 Pa; en la parte estrecha presenta un diámetro de 2 plg y la presión baja hasta 5 lb/plg2, ¿cuál es la velocidad que tiene el fluido, suponiendo que es agua y su densidad es de 1000 kg/m3?
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11. Es importante que revises junto con tu asesor los modelos matemáticos y factores de conversión que investigaste sobre los siguientes conceptos para evitar errores al momento de aplicarlos en los problemas sugeridos. Elabora, un formulario que incluya: • Gasto • Flujo • Área • Densidad • Peso específico • Empuje • Presión • Presión hidrostática
• Presión atmosférica • Teorema de Bernoulli • Ecuación de continuidad • Velocidad (tubo de Pitot) • Velocidad (tubo Venturi) • Peso aparente
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¿Qué he aprendido? Ahora que has terminado el estudio de los temas de la unidad, examina cuánto has aprendido. I. Contesta lo que se te pide. a) ¿Cómo se llama el instrumento utilizado para medir la presión atmosférica? b) ¿Cómo se define la presión? c) Describe el postulado del principio de Pascal d) ¿Cuál es la razón por la que un objeto de mayor densidad que el agua pueda flotar? e) ¿Cuál es el objeto de estudio de la Hidrodinámica? f) ¿Cómo se llama la fuerza que mantiene unidas a las moléculas de una misma sustancia? g) ¿Qué hace que la superficie de un líquido se comporte como una finísima membrana elástica? h) Se define como la resistencia que presente un fluido a desplazarse (fluir).
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i) Además de la densidad de un liquido y de la gravedad, ¿qué otra variable influye en la presión hidrostática? II. Relaciona las siguientes columnas: Estado de agregación 1. Gaseoso (
Propiedades ) Son incompresibles.
2.
Plasma
(
) Presentan una superficie libre horizontal.
3.
Líquido
(
) Se expanden infinitamente.
4.
Sólido
(
) La totalidad de la materia del sol y de las demás estrellas se encuentran en este estado de agregación.
III. Anota en el paréntesis la letra de la opción correspondiente: 1. Principio de Pascal 2. Principio de Arquímedes 3. Teorema de Bernoulli 4. Ecuación de Continuidad
( ( ( (
) ) ) )
a) 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. b) A1v1 = A2v2 c) Ec1 + Ep1 + Epresión1 = Ec2 + Ep2 + Epresión2 d) Todo cuerpo sumergido en un fluido recibe un empuje ascendente igual al peso del fluido desalojado. IV. Resuelve los siguientes problemas: 1. Calcula la profundidad a la que se encuentra sumergido un submarino en el mar, si soporta una presión hidrostática de 6 x105 pascales. La densidad de agua de mar es de 1,020 kg/m 3
2. Calcular la densidad y peso específico de 100 g de oro en unidades del SI, si se sabe que esa masa ocupa un volumen de 5.1813 mL
33 3. Un cubo de acero de 60 cm por lado, se sumerge en agua cuya densidad es de 1000 kg/m 3. Si el cubo tiene un peso de 7,000 N, calcular: a) El peso específico del cubo. b) La densidad del cubo. c) El empuje que recibe. d) El peso aparente del cubo dentro del agua. 4. Por una tubería de 4 cm de diámetro circula agua a una velocidad de 2 m/s. En una parte de la tubería hay un estrechamiento y el diámetro es de 2.54 cm, ¿qué velocidad llevará el agua en este punto? 5. Calcula la fuerza que se obtendrá en el émbolo menor de una prensa hi dráulica de un diámetro de 10 cm, si en el émbolo mayor de 50 cm se ejerce una fuerza de 7550 N.
6. Calcula cuánto tiempo tarda en llenarse una alberca que tiene una capacidad de 5,600 galones, si se le aplica un gasto de 200 L/min.
Quiero saber más
LA HIDRÁULICA Y SUS APLICACIONES La hidráulica tiene una gran cantidad de aplicaciones, se utiliza para mover objetos muy pesados, para la construcción de barcos muy grandes, palas mecánicas, gatos hidráulicos, plantas productoras de energía eléctrica que se instalan en las corrientes de ríos y cascadas, utilizando el movimiento del agua para mover grandes turbinas que posteriormente transformarán esa energía cinética del agua en energía eléctrica. Las plantas hidroeléctricas son fuentes productoras de energía eléctrica sin contaminar el medio ambiente, ya que no utilizan combustibles fósiles, es decir que no consumen recursos energéticos y no producen emisiones contaminantes.
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Además todos los principios y teoremas de la hidráulica han servido para el desarrollo de una gran cantidad de herramientas y objetos como los submarinos, que además de flotar, siendo de materiales más pesados que el agua, pueden sumergirse y emerger en el mar a plena voluntad, soportando presiones hidrostáticas enormes, que para un ser humano sería imposible soportar sin la protección del casco del submarino, estamos hablando de presiones que van hasta los 10 millones de Pascales (98 Atmósferas), casi 100 veces más de la presión atmosférica. En estas condiciones colapsaríamos como una lata de refresco vacía. Como se mencionó durante esta unidad los fluidos pueden ser líquidos o gases, en nuestro caso sólo tocamos a los líquidos, pero existen algunas variantes en el estudio de los fluidos en estado gaseoso, como la aerodinámica, que estudia el viento, sus fuerzas y efectos sobre los objetos para vencer la gravedad y poder diseñar artefactos voladores como aviones y aeroplanos, pero que también se utiliza para impedir que otros pierdan la superficie terrestre como es el caso del automovilismo, donde por ejemplo en la Fórmula 1 se generan velocidades de hasta 370 km/h, y es necesario la aplicación de la aerodinámica para impedir que estos bólidos empiecen a volar y realizar ajustes en la carrocería, como alerones que mantengan al auto sobre la superficie de la pista. Hablando de autos fuera de serie los hay aquellos que pueden viajar aun más rápido que un avión, rompiendo la barrera del sonido (340 m/s ó 1,224 km/h) y que no sería posible de no ser por el estudio de los fluidos.
¿Qué voy a aprender?
CALOR Y TEMPERATURA Objetivo de la unidad : Explicarás la diferencia entre calor y temperatura, mediante la identificación de los efectos del calor sobre los cuerpos, a través del estudio de sus respectivos conceptos, principios y leyes, mostrando interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos, en un ambiente de respeto y armonía con tus compañeros y el medio ambiente.
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UNIDAD
El universo está hecho de materia y energía que interactúan de manera constante. La materia está compuesta de átomos y moléculas, mientras que la energía hace que los átomos y las moléculas estén en constante movimiento, rotando alrededor de sí mismas, vibrando o chocando unas con otras. El movimiento de los átomos y moléculas se traduce en una forma de energía llamada calor o energía térmica, que está presente en todo tipo de materia. Incluso en los vacíos más fríos de espacio hay materia que posee calor, muy pequeño pero medible. Hoy en día sabemos que los átomos y moléculas de los que está formada la materia no están en reposo aunque el cuerpo que constituyen esté quieto. En los sólidos sus partículas vibran continuamente alrededor de su posición de equilibrio; en los líquidos se mueven con libertad, aunque confinadas a un determinado volumen; en los gases se mueven con libertad y ocupan todo el espacio disponible. El estudio de la presente unidad te ayudará a identificar la diferencia que existe entre la temperatura y el calor, las diferentes escalas de temperatura que se utilizan, los instrumentos de medición de la temperatura, la conversión de unidades de temperatura de un sistema a otro, la magnitud física que nos indica qué tan caliente o frío está un cuerpo respecto a otro, etc. Asimismo, por lo que respecta al calor resolverás ciertas interrogantes como cuáles son los efectos que produce esta forma de energía al estar en contacto con diferentes materiales, de qué forma se transmite y por qué algunos materiales son buenos conductores de calor mientras que otros no lo conducen en absoluto. Para lograr un aprendizaje óptimo de todos los temas que verás en esta unidad es necesario –como siempre- que te comprometas contigo mismo para avanzar en la comprensión de los temas usando todos los medios que tengas a tu alcance. Que te apoyes en todo lo necesario en tu asesor y que colabores con tus compañeros para que, juntos, logren resultados cada vez mejores. Te deseamos que todas las actividades de aprendizaje te sean interesantes y útiles. Así que... ¡Manos a la obra!
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Bibliografía Fuentes de consulta Bibliografía: Te recomendamos la consulta de cualquiera de los siguientes títulos, para que puedas apoyarte en la resolución de las actividades de aprendizaje. • Giancoli, Douglas C. Física y aplicaciones. México, 4ª ed., Prentice Hall, 1999. • Hech, Eugene. Física, Algebra y Trigonometría. México, Thompson, 1999. • Hewitt, Paul G. Física Conceptual. 9a ed., México Pearson Educación, 2004. • Pérez Montiel, Héctor. Física 2 para Bachillerato General. 2ª ed., México Publicaciones Cultural, 2003. • Pérez Montiel, Héctor. Física General. 3ª ed., México Publicaciones Cultural, 2006. • Serway, Raymond A. Física Tomo 1. 4a ed., México McGraw–Hill, 1996. • Tippens, Paul, E. Física, Conceptos y Aplicaciones. 6ª ed., México McGraw-Hill, 2001. • Wilson, Jerry D. Física. 2a ed., México Pearson Educación, 1996.
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Artículos de la Enciclopedia Encarta: Si cuentas en tu Centro de Servicios con este software consulta esos artículos que se relacionan con los temas de la unidad. • Calor • Calor y temperatura • Calores específicos • Calorimetría • Capacidad calorífica • Percepción de calor con órganos termosensibles • Transferencia de calor • Física (en la sección 3.5)
Sitios Web para consultar: Si cuentas con conexión a Internet, te recomendamos la visita –y el estudio, claro está– de la información que proporcionan los sitios que enlistamos a continuación:
• http://newton.cnice.mec.es/4eso/calor/calor-indice.htm • http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/heat_sp_06sep01.html • http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicaInteractiva/Calor/calor/Calor.htm • http://usuarios.lycos.es/yxtzbldz85/newpage.html • http://www.spitzer.caltech.edu/espanol/edu/thermal/differ_sp_06sep01.html
Programas de televisión educativa: A través de la Red Edusat podrás observar los programas de televisión que hemos preparado para que refuerces tu comprensión de los temas principales de las asi gnaturas. Entérate de cuándo pasarán y trata de observarlos tomando nota de las ideas más importantes. La organización de los temas que comprende la unidad se presenta en el siguiente esquema. Revísalo atentamente:
TEMPERATURA Y CALOR
Instrumentos de medición
Escalas
Temperatura normal, alta y baja
Fahrenheit, Celsius y Kelvin
Conversión de unidades
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Concepto y unidades
Mecanismos de transferencia
Dilatación de los cuerpos
Joule, Cal, Kcal, BTU
Conducción, convección y radiación
Lineal y cúbica
2.1. DIFERENCIAS ENTRE CALOR Y TEMPERATURA Objetivo temático: Explicarás los conceptos de calor y temperatura, así como los efectos que produce el calor sobre los cuerpos, mediante la observación científica de los cambios que se presentan en los cuerpos cuando reciben o ceden calor.
Para lograr aprendizajes de buena calidad es necesario tener siempre presente qué es lo que pretendemos obtener. Así pues, nuestro objetivo –principalmente tu objetivo– será comprender la distinción entre calor y temperatura. Algo que para muchas personas es lo mismo, se distingue claramente en el ámbito de la Física. Otra de las metas que pretendemos en este tema será que puedas explicar cuáles son los efectos del calor sobre los cuerpos y para ello aplicarás el método científico para observar lo que sucede y partiendo de ello formularás hipótesis sobre la posible explicación de lo que observas. La experimentación te ayudará a saber si tu supuesto es correcto o debes modificarlo. Precisamente así es como avanza la ciencia. 2.1.1. Concepto de Temperatura y su medición
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Actividades: 1. Lee atentamente y subraya las ideas más importantes. Cuando tocamos un cuerpo lo podemos sentir caliente o frío según la temperatura que tenga, así como de su capacidad para conducir el calor. Es por ello que, si colocas sobre una mesa un bloque de madera y una placa de metal, al tocar la placa de metal la sientes más fría porque conduce mejor el calor de tu cuerpo que la madera, no obstante los dos tienen la misma temperatura. La magnitud física qué indica qué tan caliente o fría es una sustancia respecto a un cuerpo que se toma como base o patrón es la temperatura. La temperatura de un una sustancia depende del valor de la energía cinética media o promedio de sus moléculas. Por ello, se considera que las moléculas de una sustancia no tendrían energía cinética traslacional a la temperatura denominada cero absoluto y que corresponde a cero grados Kelvin ó -273.5 °C. Es la medida de la cantidad de energía de un objeto ya que la temperatura es una medida relativa, las escalas que se basan en puntos de referencia deben ser usadas para medir la temperatura con precisión. Hay tres escalas comúnmente usadas actualmente para medir la temperatura: la escala Fahrenheit (°F), la escala Celsius (°C), y la escala Kelvin (K). Cada una de estas escalas usa una serie de divisiones basadas en diferentes puntos de referencia tal como se describe enseguida.
Fahrenheit Daniel Gabriel Fahrenheit (1686-1736) era un físico alemán que inventó el termómetro de alcohol en 1709 y el termómetro de mercurio en 1714. La escala de temperatura Fahrenheit
fue desarrollada en 1724. Fahrenheit originalmente estableció una escala en la que la temperatura de una mezcla de hielo-agua-sal estaba fijada a 0 grados. La temperatura de una mezcla de hielo-agua (sin sal) estaba fijada a 30 grados y la temperatura del cuerpo humano a 96 grados. Fahrenheit midió la temperatura del agua hirviendo a 32° F, haciendo que el inter valo entre el punto de ebullición y congelamiento del agua fuera de 180 grados (y haciendo que la temperatura del cuerpo fuese 98.6° F). La escala Fahrenheit es comúnmente usada en Estados Unidos.
Celsius Anders Celsius (1701-1744) fue un astrónomo suizo que inventó la escala centígrada en 1742. Celsius escogió el punto de fusión del hielo y el punto de ebullición del agua como sus dos temperaturas de referencia para dar con un método simple y consistente de un termómetro de calibración. Celsius dividió la diferencia en la temperatura entre el punto de congelamiento y de ebullición del agua en 100 grados (de ahí el nombre centi, que quiere decir cien, y grado). Después de la muerte de Celsius, la escala centigrada fue llamada escala Celsius y el punto de congelamiento del agua se fijo en 0 °C y el punto de ebullición del agua en 100 °C. La escala Celsius toma precedencia sobre la escala Fahrenheit en la investigación científica porque es más compatible con el formato basado en los decimales del Sistema Internacional (SI) del Sistema Métrico. Además, la escala de temperatura Celsius es comúnmente usada en la mayoría de países en el mundo, aparte de Estados Unidos.
Kelvin La tercera escala para medir la temperatura es comúnmente llamada Kelvin (K). Lord William Kelvin (1824-1907) fue un físico escocés que inventó la escala en 1854. La escala Kelvin está basada en la idea del cero absoluto, en la que todo el movimiento molecular se para y no se puede detectar ninguna energía. En teoría, el punto cero de la escala Kelvin es la temperatura más baja que existe en el universo: -273.15 ºC. La escala Kelvin usa la misma unidad de división que la escala Celsius. Sin embargo vuelve a colocar el punto cero en el cero absoluto: -273.15 ºC. Es así que el punto de congelamiento del agua es 273.15 Kelvin y 373.15 K es el punto de ebullición del agua. La escala Kelvin, como la escala Celsius, es una unidad de medida estándar del SI, usada comúnmente en las medidas científicas. Puesto que no hay números negativos en la escala Kelvin, es muy conveniente usar la escala Kelvin en la investigación científica cuando se mide temperatura extremadamente baja.
2. Partiendo de la información anterior, responde el cuestionario: a) ¿Qué es la temperatura? b) Menciona cuáles escalas puedes utilizar para medir la temperatura c) ¿Cuál es el valor de la temperatura en las diferentes escalas para el punto denominado cero absoluto?
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d) ¿Cuál es el valor de la temperatura a la que se congela el agua en grados Celsius? e) ¿Cuál es el valor de la temperatura a la que entra en ebullición el agua, en grados Celsius? 3. Anota las fórmulas necesarias, para convertir de grados: a) Celsius a grados Kelvin. b) Kelvin a grados Celsius. c) Celsius a grados Fahrenheit. d) Fahrenheit a grados Celsius.
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4. Efectúa las conversiones que se indican. Compara tus resultados con los de un compañero y en caso de que tengan diferencias revisen los cálculos y soliciten la ayuda de su asesor. a) 212°F °C b) 100°C °F c) 25°C K d) 70°F K e) 373K °C f) 500 K °F →
→
2.1.2. Concepto de Calor y sus unidades de medida ¿Qué es el calor? ¿Cuáles son las formas en que se transmite? 5. Efectúa la lectura de los textos que se presentan, teniendo en mente las preguntas anteriores. Posteriormente elabora un diagrama, mapa mental o conceptual en el que organices la información que adquieras. Comparte con tu asesor y tus compañeros tu trabajo para recibir retroalimentación. Se le denomina calor a la transferencia de energía de una parte a otra de un cuerpo o entre distintos cuerpos que se encuentran a diferentes temperaturas. El calor es una energía en tránsito y siempre fluye de cuerpos que están a mayor temperatura a aquellos que están a menor temperatura, la energía no puede fluir de manera inversa a menos que se realice un trabajo.
2.1.3. Mecanismos de transferencia de calor El calor puede transferirse de tres formas distintas como son:
Conducción. Es la transferencia de calor a través de un objeto sólido, por ejemplo si pones una barra de hierro a calentar en un extremo, al paso de un determinado lapso de tiempo tocarás toda la barra de fierro y notarás que ésta se encuentra caliente en toda su longitud. La mayoría de los metales tienen calentamiento por conducción.
Convección. La transferencia que se da por el intercambio o movimiento de las moléculas de una sustancia, por ejemplo, si pones a calentar un recipiente con agua, el movimiento de las moléculas calientes, con las moléculas frías ocasionará que toda el agua contenida en el recipiente se caliente.
Radiación. Es la transferencia de calor a través de ondas electromagnéticas, un claro ejemplo lo tenemos en la emisión de los rayos solares, que llegan a la Tierra a través de ondas. Quizás alguna vez te has detenido a observar el trabajo de un herrero, pero si todavía no lo has hecho te invitamos a que lo hagas. Observa cómo el metal se calienta hasta un punto en el que se pone completamente rojo, es en este momento en el que se le puede moldear para hacer las distintas formas que el herrero le da para hacer las puertas, ventanas o los barandales que protegen tu casa. Esta característica tan importante que presentan los metales como el hierro se le llama “dilatación”, que no es más que el aumento de tamaño que sufre el metal al incrementarse la temperatura. Este aumento puede ser lineal o cúbico. Lineal, cuando una sola dimensión del cuerpo es la que cambia y dilatación cúbica es aquella en la que las tres dimensiones del cuerpo sufren incremento. Una vez que disminuye la temperatura del metal vuelve a su tamaño normal, fenómeno al que llamamos “contracción”. La mayoría de los metales al ser buenos conductores de calor presentan estas características. Otro de los fenómenos que podemos observar a nuestro alrededor es en los procesos climáticos y en las variedades del clima; el agua que presenta ciertas irregularidades debido a su coeficiente de dilatación y con la temperatura constituye una verdadera singularidad. Al flotar ocasionan que el agua que se encuentra debajo de estos bloques conserve una cierta temperatura que permite la vida acuática dentro de ella, a esto se debe que puedan vivir tantos peces en zonas tan frías como las de los polos. Al igual que estos fenómenos cotidianos tenemos aun más que se encuentran relacionados con el calor, por ejemplo: Cuando tienes un vaso con agua caliente y le pones hielos, el agua no se enfría como decimos habitualmente, más bien el agua cede calor a los hielos y estos absorben ese calor y comienzan a derretirse, por lo tanto este calor se reparte entre ambos cuerpos y la temperatura del agua disminuye, pues perdió el calor que cedió a los hielos. El agua es un líquido con un alto calor específico, esto es, tiene una gran capacidad de absorber calor.
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6. Responde el siguiente cuestionario: a) ¿Qué es el calor? b) ¿Cuáles son las formas en que se propaga? c) ¿Cuáles son las unidades utilizadas en el Sistema Internacional para medir el calor? d) ¿Qué materiales son buenos conductores de calor y cuáles son malos? Menciona dos ejemplos de cada uno. e) ¿Qué es la dilatación lineal? f) ¿Qué es la dilatación cúbica?
42 g) ¿Cuándo decimos que un cuerpo cede calor? g) ¿Cuándo decimos que un cuerpo absorbe calor?
7. A continuación escribe un ejemplo, que tenga relación con tu vida diaria, donde menciones un hecho o fenómeno que cede calor y otro ejemplo de un hecho o fenómeno que absorba calor.
2.1.4. Dilatación de los cuerpos, lineal, superficial y volumétrica Cuando un cuerpo sólido se calienta aumentan todas sus dimensiones: longitud, superficie y volumen; por lo que la dilatación puede ser: lineal, superficial o volumétrica. a) Dilatación lineal: Cuando se calienta un cuerpo sólido en el cual predomina la longitud sobre las otras dos dimensiones, se observa un aumento de su longitud. Experimentalmente se ha comprobado que la dilatación lineal depende de la naturaleza de la sustancia. b) Dilatación superficial: En los cuerpos de forma laminar o plana, en los cuales el largo y el ancho predominan sobre el espesor, se observa un aumento de la superficie cuando se aumenta su temperatura. Esta forma de dilatación también depende de la sustancia considerada. c) Dilatación volumétrica: En los cuerpos sólidos donde no hay un marcado predominio de ninguna de las tres dimensiones del espacio, al ser calentados adquiere importancia el aumento de volumen. Como en los casos anteriores, también depende de la naturaleza de la sustancia.
8. Resuelve los ejercicios de dilatación lineal y dilatación cúbica, apóyate en las tablas de coeficientes de dilatación y utiliza las fórmulas que encontrarás a continuación:
43 SUSTANCIA Hierro Aluminio Cobre Plata Plomo Níquel Acero Zinc Vidrio
SUSTANCIA Hierro Aluminio Cobre
COEFICIENTES DE DILATACIÓN LINEAL DE LA SUSTANCIA α ( 1/°C ) 11.7 × 10-6 22.4 × 10-6 16.7 × 10-6 18.3 × 10-6 27.3 × 10-6 12.5 × 10.6 11.5 × 10-6 35.4 × 10-6 7.3 × 10-6
COEFICIENTES DE DILATACIÓN CÚBICA DE LA SUSTANCIA β ( 1/°C ) 35.1 X 10-6 67.2 X 10-6 50.1 X 10-6
SUSTANCIA Acero Vidrio Mercurio Glicerina Etanol Petróleo
COEFICIENTES DE DILATACIÓN CÚBICA DE LA SUSTANCIA β ( 1/°C ) 34.5 X 10-6 21.9 X 10-6 182 X 10.6 485 X 10-6 746 X 10-6 895 X 10-6
ECUACIÓN DE DILATACIÓN LINEAL Lf = Lo [ 1 + α (Tf – To) ]
ECUACIÓN DE DILATACIÓN CÚBICA Vf = Vo [ 1 + (Tf – To) ] Para el caso de los gases: β = 1/273 °C-1
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Donde: Lf = longitud final, en metros Lo = longitud inicial, en metros α = coeficiente de dilatación lineal, en °C-1 Tf = temperatura final, en °C To = temperatura inicial, en °C β = coeficiente de dilatación cúbica Ejercicios A. Un puente de acero de 100 m de largo a 8 °C aumenta su temperatura hasta 28 °C ¿Cuál será el valor de su longitud final? ¿Se dilata o se contrae? A.= Lf = 100.023 m se dilata 0.023 m. B. Calcula el volumen final de 4.5 litros de glicerina si se calienta de 6 °C a 23 °C. B. Vf = 4.5371 litros
9. Actividad experimental. Térmometro de gas Construye tu propio termómetro. A continuación se te dan los pasos para que lo puedas construir, no debes omitir ninguno ya que de lo contrario tu termómetro no funcionará. Materiales: • 1 frasco de vidrio grande con tapa. • El tubo capilar de plástico de una lapicera a bolilla. • Plastilina o sellador. • Tinta azul o negra o colorante. Procedimiento: A. Si el tubo capilar de la lapicera tiene algo de tinta, lávalo bien. Quizás debas utilizar alcohol. B. En el centro de la tapa del frasco practica un agujero pequeño de igual diámetro que el del tubo capilar. C. Pasa el tubo por el agujero y fíjalo de manera que queden dos o tres centímetros del lado interno de la tapa. Sella la unión con plastilina o sellador. D. Llena un plato con agua. Mezcla algo de tinta o colorante para darle color. Toca la superficie del agua con alguno de los extremos del tubo capilar. Debido a la capilaridad una columna de agua ascenderá por su interior. Separa el tubo del plato y observa que en su interior ha quedado una gota. E. Con cuidado, trata de desplazar la gota hacia el centro del capilar, tratando de que no se separe en varias gotitas. F. Coloca la tapa del frasco. Debido al aumento de la presión interior es probable que esta operación desplace la gota hacia arriba. En ese caso empieza de nuevo con una nueva gota, dado que el objetivo es que cuando pongas la tapa al frasco la gota quede aproximadamente en la mitad del tubo (ver figura).
capilar frasco con tapa
aire
gota de agua
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G. Ya tienes tu termómetro de gas, el indicador de temperatura es la posición de la gota en el capilar. H. Para probarlo realiza lo siguiente: Coloca el termómetro sobre un plato con agua caliente. A los pocos instantes verás que la gota de agua se desplaza hacia arriba. Saca el termómetro del agua caliente y colócalo en agua fría. Verás que la gota se desplaza hacia abajo. El comportamiento de la gota en el capilar se explica del siguiente modo: cuando sumergimos el termómetro en agua caliente el aire en su interior se calienta. Al calentarse, la presión de aire en el interior del recipiente aumenta un poco con respecto a la presión atmosférica y empuja la gota de aire hacia arriba. Cuando sumergimos el termómetro en agua fría el aire se enfría, la presión en el interior disminuye y entonces la presión externa empuja la gota hacia abajo. Este termómetro no es muy preciso pero tiene la ventaja de que es bastante sensible a cambios de temperatura. Si tomas el recipiente de vidrio con ambas manos, vas a observar que la gota sube y si luego lo dejas en la mesa, veras que baja a su posición original.
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Piensa en las similitudes que hay entre este termómetro y uno de mercurio Si con esta actividad no te bastó, ahora te invitamos a sumergirte en el mundo del Internet donde podrás complementar aun más tus conocimientos adquiridos. • http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html • www.encarta.msn.com/ency www.encarta.msn.com/encyclopedia clopedia • www.teleformacion.edu.aytolacoruna www.teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicainteractiva .es/FISICA/document/fisicainteractiva.
10. Actividad Experimental Experimental.. Dilatación de un trozo de metal Materiales: 1 clavo grande, 1 clip, 1 pinza, dispositivo para generar calor por conducción (parrilla o mechero). Procedimiento: A. Endereza uno de los extremos del clip. B. Con una pinza toma el extremo que enderezaste y dale de dos a tres vueltas alrede dor del clavo, en forma de espiral. (ver figura). El clavo tiene que pasar exactamente por la espiral que le hiciste al clip. C. Ahora toma la cabeza del clavo con la pinza y acerca la punta a la llama o a la zona caliente de tu dispositivo.
D. Cuando el clavo esté al rojo, trata de hacer pasar la punta por la espiral. Observa si ¡pasa o no pasa! Lo que ha sucedido es que al calentar el clavo se dilató y por eso no pasa a través del espiral que le hiciste al clip. La dilatación por calentamiento es un fenómeno que demuestra que el clavo absorbe la energía. Al absorber energía los átomos del metal chocan con sus vecinos aumentando la separación que hay entre ellos y este fenómeno de separación se traduce en la dilatación del clavo. Cuando el clavo se enfría, la energía absorbida se devuelve al medio, los átomos ya no chocan tanto y la red metálica del clavo vuelve a tener el tamaño original. Por eso al enfriar el clavo pasa de nuevo a través de la espiral. En este experimento comprobamos que hay dilatación cúbica del clavo, pero también que existe dilatación lineal, esto es, es , la longitud del clavo aumenta cuando se le calienta. Sin embargo, este aumento es muy pequeño por lo que no se puede distinguir a simple vista, pero si tomaras un instrumento de medición y lo midieras, comprobarás que efectivamente sufre un incremento pequeño de tamaño. 11. Realiza lo siguiente con el apoyo de tu asesor y contesta las preguntas: Cierren la puerta de su aula y quédense quietos por un momento dentro de ésta, el tiempo que ustedes crean pertinente, toquen su cuerpo y una vez pasado el tiempo, deben empezar a moverse por todo el salón de manera enérgica y rápida, toquen su cuerpo después de haber realizado movimientos: ¿Qué paso? ¿El movimiento genera algún tipo de calor? ¿Durante el movimiento hubo calor cedido o calor absorbido? 12. Elabora un listado de al menos 5 ejemplos en tu vida cotidiana donde observes dilatación o contracción de los metales. 13. Consulta las siguientes páginas de Internet para complementar aun más tus conocimientos sobre calor. http://www.unidata.ucar.edu/staff/blynds/tmp.html www.encarta.msn.com/encyclopedia www.teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/fisicainteractiva.
2.1.5. Dilatación irregular del Agua Las irregularidades del coeficiente de dilatación del agua con la temperatura constituyen una verdadera singularidad. Acaso lo más acusado sea el hecho de que el agua líquida entre los cero y los cuatro grados centígrados se contraiga al aumentar la temperatura. Debido a ello, el lo, el agua a presión
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constante tiene su mayor densidad a la temperatura de cuatro grados centígrados. Esta propiedad tiene gran importancia para el comportamiento de las masas de hielo en los océanos. Dichas masas formadas sobre todo t odo en los círculos polares, al iniciarse el deshielo, tienden muchas veces a desplazarse hacia zonas más templadas, se fragmentan y, en caso de desplazarse desde tierra hacia el mar, se configuran en forma de grandes bloques arrastrados por las corrientes marinas. Esos E sos bloques flotan, aunque en general queda sumergida una buena parte de los mismos. En el caso de que la densidad del agua disminuyera con rapidez a partir de 0°C, podrían incluso ir a capas profundas al caer al mar, lo que supondría una extraordinaria complejidad en la génesis de las corrientes marinas y entre los intercambios de calor en los océanos, de modo que podrían prevalecer en zonas polares los intercambios verticales sobre los horizontales. 2.1.6. Calor específico de las sustancias Se define el calor específico, específico , como la cantidad de calor que debe suministrársele a 1g de la sustancia para hacerle aumentar en 1°C la temperatura.
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Se ha determinado el calor específico para muchas sustancias, algunas de las cuales aparecen en el cuadro que aparece a continuación: Sustan Sust anci ciaa Acero Aluminio C o b re Estaño Hierro Mercurio Oro Plata Plomo Sodio Agua
Calo Ca lorr es espe pecí cífi fico co (J (J/k /kg· g·°K °K)) 460 880 390 230 450 138 130 235 130 1300 4184
Es muy importante considerar que un alto valor del calor específico indica que la sustancia en cuestión requiere una fuerte cantidad de calor para subir su temperatura. En el caso del agua, que tiene un valor inusualmente alto, su calor específico explica la razón por la cual los mares se convierten en un regulador térmico y su presencia en los seres vivos ayuda a disipar buena parte del calor generado en las reacciones metabólicas.
2.1.7. Calor cedido o absorbido por un cuerpo Aun cuando no sea posible determinar el contenido total de energía calorífica de un cuerpo, puede medirse la cantidad que se toma o se cede al ponerlo en contacto con otro a diferente temperatura. Esta cantidad de energía en tránsito de los cuerpos de mayor temperatura a los de menor temperatura es precisamente lo que se entiende en física por calor. La experiencia pone de manifiesto que la cantidad de calor tomada (o cedida) por un cuerpo es directamente proporcional a su masa y al aumento (o disminución) de temperatura que experimenta. La expresión matemática de esta relación es la ecuación calorimétrica: Q = C · m · (Tf - Ti) Donde Q representa el calor cedido o absorbido, m la masa del cuerpo, Tf y Ti las temperaturas final e inicial respectivamente. Q será positivo si la temperatura final es mayor que la inicial (Tf > Ti) y negativo en el caso contrario (Tf < Ti). La letra C representa al calor específico del tipo de sustancia que constituye el cuerpo en cuestión. Así pues, si conocemos cuál es el calor específico de una sustancia podemos calcular la cantidad de calor que cede o absorbe, ya sea del medio ambiente o del cuerpo con el que está en contacto. Ejemplo: Ejemplo: Determina el calor absorbido por una barra de hierro, cuya masa es de 4.5 kg cuando su temperatura varía desde 5 °C hasta 100 °C. El calor específico para el hierro es de 450 J/kg⋅°C Datos: Q=? m = 4.5 kg C = 450 J/kg⋅°C Tf = 100 °C Ti = 5 °C Sustitución y resultado: Q = C · m · (Tf - Ti) Q = (450 J/kg⋅°C) (4.5 kg) (100°C – 5°C) Q = 192,375 J El signo es positivo indicando que el cuerpo absorbe calor.
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¿Qué he aprendido? I. Define los términos siguientes: • Calor • Temperatura • Temperatura absoluta • Cero absoluto • Dilatación lineal • Dilatación cúbica • Convección • Conducción • Radiación II. Trabaja con el apoyo de tu asesor en la conversión de un sistema a otro de las siguientes unidades de temperatura. a) 50 °C a °K b) 120 °C a °K c) 210 °K a °C d) 273 ° K a °C e) 212 °F a °C III. Resuelve los problemas sobre dilatación que aparecen a continuación:
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1. La longitud de un cable de aluminio es de 30 m a 20 °C. Sabiendo que el cable es calentado hasta 60 °C y que el coeficiente de dilatación lineal del aluminio es de 24 x 10-6 1/°C. Determina la longitud final del cable. 2. Una barra de hierro de 10 cm de longitud está a 0 °C; sabiendo que el valor de es de 12 ×10-6 1/°C. Calcular: a) La Lf de la barra a 20 °C b) La Lf de la barra a -30 °C 3. La longitud de un cable de acero es de 40 m a 22 °C. Determina su longitud en un día en que la temperatura es de 34 °C, sabiendo que el coeficiente de dilatación lineal del acero es igual a 11 x 10-6 1/°C 4. A través de una barra metálica se quiere medir la temperatura de un horno. Inicialmente la barra se encontraba a 22 °C. Después de cierto tiempo se retira la barra del horno y se verifica que la dilatación sufrida equivale a 1.2% de su longitud inicial, sabiendo que = 11×10-6 1/°C. Determinar la temperatura del horno en el instante en que la barra fue retirada. 5. Determina el calor cedido por un bloque de aluminio de 2.0 kg, que pasa de una temperatura de 85 °C a una temperatura de 25 °C. La capacidad calorífica del aluminio es de 880 J/kg °C
Quiero saber más
¿Existe una “enfermedad del calor”? Efectivamente, existe y es importante conocer cuáles son los síntomas y el tratamiento inmediato que puede procurarse en tal situación. Para indagar al respecto, te sugerimos la visita por estos sitios Web: http://www.nlm.nih.gov/medlineplus/spanish/heatillness.html http://www.noah-health.org/es/environemental/natdisasters/ specific/heat.html http://www.deporteymedicina.com.ar/EnfporCalor.ppt
Te recomendamos que organizados por tu asesor, hagan una campaña en tiempo de verano para prevenir este tipo de situaciones.
¿Cómo sería un Universo donde no hubiera intercambio de calor? Cuando la energía pasa de una forma a otra, siempre se tiene un desprendimiento de calor. Según los físicos, llegará un momento en el que toda la energía útil se haya transformado en calor y no pueda volverse a utilizar… ¿Qué sucederá entonces? Sencillamente no habría fenómenos espontáneos, ya que toda la energía potencial disponible fue degradada y usada, no habría ciclo del agua, no habría termoelectricidad, ni radiación térmica y, en una palabra, no habría vida. A este hipotético futuro se le denomina la “muerte térmica del Universo”. Te invitamos a que investigues sobre este tema y a que compartas con tus compañeros tus hallazgos.
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¿Qué voy a aprender? ELECTRICIDAD, MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO Objetivo de la unidad: Resolverás problemas relacionados con los fenómenos eléctricos, magnéticos y su interrelación, a partir del conocimiento de sus conceptos, principios, teorías y leyes, por medio del empleo correcto, crítico y ref lexivo de modelos matemáticos; mostrando interés científico y responsabilidad en la aplicación de dichos conocimientos, en un ambiento de cooperación y respeto hacia ti mismo, tus compañeros y tu entorno.
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UNIDAD
Te damos la más cordial bienvenida al estudio de la tercera y última unidad de la asignatura de Física II. Después de haber estudiado los conceptos básicos de la Hidráulica, el Calor y la Temperatura, es el momento de proponernos el estudio de la Electricidad, el Magnetismo y el Electromagnetismo, fenómenos que han dado origen a infinidad de aplicaciones domésticas e industriales que otorgan mucha comodidad a nuestro estilo actual de vida.
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¿Cuánto dependemos de la electricidad? Simplemente basta con sufrir un “apagón” de dos o tres horas para darnos cuenta de ello. No tenemos iluminación, ni televisión, ni radio. Los refrigeradores, planchas, estéreos, licuadoras, etc. no podrían funcionar en absoluto. Aún los radios, grabadoras o televisores portátiles requieren de la electricidad proporcionada por las denominadas “pilas” y algo similar sucede con los automotores de cualquier tipo que solamente pueden iniciar y continuar su funcionamiento si cuentan con una “batería”. El tema de la Electricidad se inicia con el estudio de la relación y las diferencias entre la electrostática y la electrodinámica. Continuaremos con algunos antecedentes históricos de estos tres conceptos. Yendo más a fondo, revisaremos el concepto y unidades de carga eléctrica en el SI, la forma en que dos o más cargas pueden interactuar y las diversas formas de electrizar a los cuerpos. Existen, por otra parte, materiales que pueden conducir la electricidad mientras que otros no. A los primeros se les llama conductores y a los segundos, aislantes. Aprenderemos a caracterizarlos y a distinguirlos. Otros conceptos importantes que se estudian son la ley de Coulomb, la diferencia de potencial, la corriente eléctrica y la ley de Ohm. No podemos dejar de lado el estudio de las pilas y los circuitos eléctricos con sus conexiones en serie o en paralelo. Terminaremos con el estudio de la potencia y el efecto Joule. El segundo tema, Magnetismo, nos llevará a conocer su concepto, los tipos de imanes que existen, qué se entiende por campo magnético y cómo interactúan los polos? Finalmente se revisará el concepto de magnetismo terrestre. El Electromagnetismo, concepto a revisar en el tercer tema, combina conceptos y aplicaciones derivados de la electricidad y el magnetismo. Su historia es muy interesante y por ahí comenzaremos. Posteriormente trataremos de entender claramente
el campo magnético producido por un campo eléctrico, lo cual nos servirá de base para comprender qué es la inducción electromagnética y su relevancia en la electrificación. La corriente eléctrica, en sus formas directa y alterna será el siguiente punto, junto con el estudio del funcionamiento del transformador, generador y motor eléctrico. Para finalizar se incluye una reflexión sobre el impacto social, cultural y ambiental de las contribuciones de la Física, precisando cuáles son sus principales riesgos y beneficios. Con ello se pretende que sepamos aquilatar lo que nos brinda la Física y simultáneamente, estemos atentos a los riesgos potenciales o reales que presente cualquiera de sus aplicaciones para actuar responsablemente. Fuentes de consulta
Bibliografía: Los textos que enlistamos a continuación te serán de gran utilidad para la ampliación de algún tema o para que resuelvas dudas que te surjan durante el estudio de los temas. Te recomendamos su consulta. • Giancoli, Douglas C. Física y aplicaciones, 4ª ed., México, Prentice Hall, 1999. • Hech, Eugene. Física, Algebra y Trigonometría. México, Thomson, 1999. • Hewitt, Paul G. Física Conceptual. 9a ed., México, Pearson Educación, 2004. • Pérez Montiel, Héctor. Física 2 para Bachillerato General. 2ª ed., México, Publicaciones Cultural, 2003. • Pérez Montiel, Héctor. Física General. 3ª ed. México, Publicaciones Cultural, 2006. • Serway, Raymond A. Física,Tomo 1. 4a ed., México, McGraw–Hill, 1996. • Tippens, Paul, E. Física, Conceptos y Aplicaciones. 6ª ed. México, McGraw–Hill, 2001. • Wilson, Jerry D. Física. 2a ed., México, Pearson Educación, 1996. Sitios Web: Si dispones de conexión a Internet, visita los siguientes sitios y aprovecha toda la información que brindan:
• http://w3.cnice.mec.es/recursos/fp/electricidad/index.html • http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/elecmagnet.htm • http://cabierta.uchile.cl/libros/c-utreras/node81.html • http://www.astromia.com/tierraluna/magnetismo.htm • http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_1.htm • http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/electr.htm
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Enciclopedia Encarta: Si en tu Centro de Servicios tienes acceso a este software, consulta los siguientes artículos que contienen información relevante sobre los temas de la Unidad: • Electricidad • Carga eléctrica • Condensador • Charles de Coulomb • Jaula de Faraday • Física • Georg Simon Ohm • Resistencia • Diferencia de potencial • Solenoide • Hans Christian Oersted • James Clerk Maxwell
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Programas de televisión educativa A través de la Red Edusat puedes tener acceso a los programas de televisión educativa que apoyan tu aprendizaje sobre esta Asignatura. Infórmate de la programación y obsérvalos atentamente realizando notas de los aspectos más importantes.
¿Cómo aprendo? 3.1. Electricidad: Electrostática y Electrodinámica Objetivo temático: Describirás la importancia de los conocimientos científicos en el desarrollo de la electrostática, la electromecánica y la tecnología, por medio del estudio de sus conceptos, teorías y leyes; mediante la construcción de circuitos eléctricos y la resolución de problemas prácticos de tu entorno.
Las preguntas que encontrarás a continuación te servirán de guía en el estudio de este tema. Conforme avances en el desarrollo de las actividades trata de responderlas: • ¿Cómo llegó la humanidad al conocimiento y dominio de la electricidad que actualmente posee? • ¿A qué se le llama carga eléctrica y en qué unidades se mide? • ¿Cuáles son las formas diferentes en las que pueden electrizarse a los cuerpos? • ¿Cómo se explica que algunos materiales conduzcan la electricidad y otros no? • ¿Para qué sirve un electroscopio? • ¿Cuál es el enunciado de la ley de Coulomb? • ¿A qué se llama campo eléctrico y cómo se mide su intensidad? 3.1.1. Antecedentes históricos de la electricidad y conceptos de electrostática y dinámica Actividades: 1. Investiga en los medios que tengas a tu alcance y si cuentas en tu Centro de Servicios con la enciclopedia Encarta revisa la sección 9 del artículo “Electricidad”. Con la información que obtengas elabora, junto con dos o tres de tus compañeros, una línea del tiempo donde indiques al científico con su descubrimiento o invención, ilustrando con recortes o dibujos. Muestra tu trabajo a tus compañeros y a tu asesor para recibir retroalimentación. 3.1.2. Carga eléctrica, unidad de medida en el Sistema Internacional, interacción entre cargas y formas de electrizar a los cuerpos 2. Investiga en los medios que tengas a tu alcance y responde en tu cuaderno el cuestionario siguiente: a ¿Cuál es el concepto de carga eléctrica? b ¿En qué unidades del Sistema Internacional se mide la carga eléctrica? c ¿Tiene signo la carga eléctrica? d ¿Cómo se mide la carga eléctrica de una partícula? e ¿Cuáles son las formas en las que puede electrizarse un cuerpo? (elabora un esquema donde se muestre cada una con su descripción).
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3. Elabora un mapa mental o un mapa conceptual donde organices la información que acabas de adquirir y muéstralo a tu asesor para que retroalimente tu trabajo. 4. Integra un equipo con dos o tres de tus compañeros y lleven a cabo lo siguiente: A. Material: trozo de tela de fieltro, peine de plástico, trozos pequeños de papel y un globo. B. Frota con el fieltro el peine y acércalo a los trozos de papel. Observa lo que sucede y haz tus anotaciones. C. Frota de nuevo el peine con el fieltro y ahora acércalo a tu cabello o al de alguno de tus compañeros de equipo. Observa lo que sucede y toma nota indicando qué tipo de electrización han producido. D. Infla el globo y una vez que esté atado, frótalo contra tu cabello y acércalo a los trozos de papel. E. Vuelve a frotar el globo contra el cabello y acércalo a una pared hasta tocarla. 3.1.3. Materiales conductores y aislantes, electroscopio y jaula de Faraday
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Existen, como es del conocimiento común, algunos materiales que pueden conducir la electricidad mientras que otros no, ¿cuál es la razón de tal comportamiento? El conocimiento científico nos ha ayudado a comprender que la explicación de muchos fenómenos se encuentra en la estructura de la materia a nivel atómico y molecular. Existe diferencia en la forma en que los átomos se acomodan en un bloque de madera o en un trozo de metal. 5. Investiga en los medios a tu alcance y con la información que obtengas define qué es un conductor y qué es un aislante, identifica algunos ejemplos de ambos casos: ¿Qué es? Conductor Aislante
Ejemplo
6. Construcción de un electroscopio. Reúnete con dos o tres de tus compañeros y elaboren juntos un electroscopio para utilizarlo en las experiencias de clase. Material: • Botella de vidrio limpia y seca. • Lámpara de alcohol (pueden construirla con un pequeño frasco, • Un tramo de alambre de cobre de 10 cm aproximadamente. • Un tapón de corcho que ajuste bien en la botella. • Un tramo de 30 x 30 cm de papel aluminio.
alcohol y mecha).
Procedimiento: A. Para cerciorarse de que la botella esté perfectamente seca, prendan su lámpara de alcohol y con mucho cuidado pasen la botella por la flama para que salga toda la humedad que pudiera tener. B. Atraviesen el tapón de corcho con el alambre de cobre. C. Del papel aluminio corten un pequeño rectángulo que, doblado por la mitad serán las laminillas del electroscopio. El tamaño debe ser el adecuado para pasar por el cuello de la botella. Fijen las laminillas al alambre (sin utilizar pegamento ni otro material, salvo el mismo aluminio) D. Hagan una bolita con el papel aluminio y colóquenla en el extremo del alambre que sobresale del tapón. E. Electrizen todos los materiales que puedan y acérquenlos o toquen la bolita de aluminio para observar lo que sucede. Escriban sus conclusiones. 7. Investiga sobre la jaula de Faraday y elabora un dibujo de ella explicando su funcionamiento en el siguiente espacio. 8. Elaboración de una jaula de Faraday. Elaboración de una Jaula de Faraday A. De un bloque de unicel corta un trozo de 9 x 9 cm que servirá como base para el dispositivo que construiremos. A continuación, de un trozo de tela metálica para mosquitero corta un rectángulo de 22 x 14 cm y enrróllalo para formar un cilindro de 14 cm de alto y 6 cm de diámetro. Une los extremos cosiéndolos con un trozo de alambre fino, que puedes, en caso necesario, tomar de la misma tela metálica. Finalmente, corta de un trozo de papel vegetal (del utilizado en tarjetería) ocho tiras de 6 cm por 8 mm y dóblalas a 1 cm de un extremo. Coloca cuatro tiras con el extremo largo hacia fuera y las otras cuatro con el extremo largo hacia dentro. B. Para utilizar la jaula que has construido, electriza un objeto (puede ser un peine al que has frotado con un trozo de fieltro) y toca con él el cilindro. Repite varias veces el experimento y observa con atención lo que sucede, comentando con tus compañeros y con tu Asesor las conclusiones que hayas obtenido. Adaptado de http://www.tecnoedu.com/F1000/Jaula.php
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3.1.4. Ley de Coulomb, campo eléctrico y su intensidad 9. Estudia con atención este texto, subrayando las ideas principales: El físico francés Charles Coulomb realizó numerosos experimentos con cargas eléctricas y encontró que la interacción entre ellas guardaba cierta regularidad matemática. Por ejemplo, se dio cuenta de que conforme la distancia entre las cargas aumentaba, la fuerza de atracción (o repulsión) entre ellas disminuía proporcionalmente en una relación inversamente proporcional al cuadrado de la distancia a la que se hallaban colocadas. Esto implicaba que si la distancia entre ellas aumentaba al doble, la atracción disminuía a la cuarta parte, si se triplicaba, la disminución llegaba a la novena parte y así sucesivamente. Otro aspecto importante que observó fue que la atracción se daba de forma proporcionalmente directa al producto de las cargas, por lo que si una de ellas aumentaba su valor al doble, la interacción también aumentaba al doble y viceversa. Finalmente logró formular su ley, cuyo enunciado es el siguiente: La fuerza entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. Su expresión matemática es:
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F=k
q1q2 d2
Donde: k = constante de proporcionalidad igual a q1= carga puntual 1, en Coulombs q2 = carga puntual 2, en Coulombs d = distancia que separa a las cargas, en metros Es importante hacer notar que el valor de la constante de proporcionalidad k, depende del medio que rodea a las cargas. Esto significa que si las cargas se encuentran en el vacío, k tendrá un cierto valor, pero si las cargas se ubican en otro medio, por ejemplo aceite, el valor cambiará en consecuencia. Otro aspecto a considerar es que la expresión matemática de la ley de Coulomb guarda un parecido muy grande con la que corresponde a la ley de la Gravitación Universal enunciada por Newton. Sin embargo, la diferencia se encuentra en que en la ley de Coulomb las cargas pueden tener el mismo signo o diferente, por lo que la interacción puede ser de atracción o de repulsión.
a
Veamos un ejemplo de cómo se aplica la ley de Coulomb para determinar la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales. Dos cargas, cuyos valores son q1 = 3 milicoulombs (mC) y q2 = 4 mC se encuentran en el vacío separadas por una distancia de 25 cm. Calcula la fuerza eléctrica entre ellas.
Solución: Anotamos los datos que proporciona el problema e identificamos la incógnita. Datos: F=? q1 = 3 mC = 3 x 10-3 C q2 = 4 mC = 4 x 10-3 C r = 25 cm = 0.25 m k = 9 x 109 Nm2/C2 Sustitución y resultado: F=k
q1q2 r2
F=(9x109Nm/C2)
(3x10-3C)(4x10-3C) (0.25m)2
F = 1.73 × 106 N
CAMPO ELÉCTRICO Y SU INTENSIDAD Se ha notado que una carga genera en torno a sí un campo de fuerza que afecta a la región que está a su alrededor y que dada la naturaleza eléctrica del fenómeno, se llama con toda propiedad campo eléctrico. El campo eléctrico es invisible, aunque sus efectos se pueden percibir y por lo tanto, medir. Michael Faraday introdujo, a propósito del campo eléctrico, la noción de líneas de fuerza para poder representarlo gráficamente. 10. Investiga en los medios que tengas a tu alcance acerca de las líneas de fuerza que representan el campo eléctrico para: a) una carga puntual positiva, b) una carga puntual negativa, c) dos cargas del mismo signo y d) dos cargas de signo contrario. Después elabora el dibujo correspondiente a cada una, en el siguiente cuadro.
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a) Producido por una carga puntual po- b) Producido por una carga puntual nesitiva. gativa.
c) Producido por dos cargas del mismo d) Producido por dos cargas de signo signo. contrario.
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El campo eléctrico, como es fácil comprender, no tiene la misma intensidad en todos los puntos. Es mucho más fuerte en la región cercana a la carga y conforme se aleja, su intensidad va disminuyendo. Para poder medir la intensidad de un campo eléctrico se emplea una carga positiva (por convención) de valor muy pequeño, que se llama carga de prueba. Esta pequeña carga se coloca en la región del espacio donde se quiere investigar la intensidad del campo eléctrico. Así pues, conocido el valor de la carga de prueba y la distancia a la cual se encuentra de la carga cuya intensidad de campo eléctrico está midiéndose, aplicamos la siguiente expresión matemática: E=
kq r2
Donde: E = intensidad del campo eléctrico en N/C k = constante de proporcionalidad, cuyo valor es de 9 x 10 9 Nm2/C2 q = valor de la carga de prueba en Coulombs, C
Puesto que el campo eléctrico es una fuerza es una magnitud vectorial y, en consecuencia, debe considerarse la dirección y la magnitud del vector representativo para poder determinar adecuadamente su intensidad. Ejemplo: Determina el valor del campo eléctrico a una distancia de 40 cm de una carga de 4µC Datos: E=? k = 9 x 109 Nm2/C2 q = 4 µC = 4 × 10-6 C r = 40 cm = 0.4 m Sustituimos en la fórmula y resolvemos para encontrar la solución:
E=
kq r2
Nm2 (9x10 C2 )(2x10-6C) E= (0.2m)2 9
61 N = 2.25x105 C 3.1.5. Diferencia de potencial o voltaje, corriente eléctrica, resistencia y ley de Ohm Una carga eléctrica situada dentro de un campo eléctrico, tiene una energía potencial eléctrica y es capaz, por este hecho, de efectuar un trabajo sobre otras cargas.
Se afirma que cuando una carga es positiva, su potencial es positivo y, a la inversa, si la carga es negativa, su potencial es igualmente negativo. Como esto no siempre se cumple, se ha preferido esta definición: 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 la dirección inversa. Para esta definición se considera que el potencial eléctrico de la Tierra es cero.
CONCEPTO DE DIFERENCIA DE POTENCIAL O VOLTAJE El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (fem) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica. A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de fem sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circui to al que corresponda ese conductor. Expresado en otras palabras, el voltaje, tensión o diferencia de potencial, es el impulso que necesita una corriente eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico. Este movimiento de cargas eléctricas por el circuito fluye del polo negativo de la fem hasta el polo positivo de la propia fuente. El voltaje, tensión o diferencia de potencial, se mide en Voltios (V) en el Sistema Internacional. CONCEPTO DE CORRIENTE ELÉCTRICA
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Hemos hablado ya en varios momentos de corriente eléctrica, pero ¿qué es, concretamente, la corriente eléctrica? La corriente eléctrica es un flujo ordenado de electrones que atraviesa un material. En el caso de los materiales conductores como el cobre y la plata, existen electrones libres que pasan con facilidad de un átomo a otro. Si estos electrones se mueven en una sola dirección, podemos entonces hablar de corriente eléctrica. Consideremos que para que este movimiento de electrones pueda darse en un sentido específico, es necesaria una fuente de energía externa que lo provoque. El flujo de electrones va siempre del potencial negativo hacia el potencial positivo, sin embargo se ha tomado la convención (el acuerdo) de que el sentido de la corriente eléctrica va desde el potencial positivo al potencial negativo. La corriente eléctrica se mide en el SI en Amperios o Amperes y se simboliza con la letra l.
CONCEPTO DE RESISTENCIA Cuando escuchamos el término “resistencia” viene a nuestra mente algo relacionado con “oponerse a algo o a alguien”. Así, se dice que un equipo de fútbol ofreció resistencia frente a un equipo poderoso y evitó ser goleado. Un ejercito opone, en la guerra, resistencia al otro ejército. En el ámbito de la Física y más específicamente en la electricidad, la resistencia es la dificultad que tiene la corriente eléctrica para circular por un conductor o un dispositivo. Las unidades en las que se mide son Ohms y se representa por la letra “omega” mayúscula (Ω). LEY DE OHM El físico alemán Georg Simon Ohm (1789-1854) dedicó buena parte de su investigación a estudiar la relación entre la intensidad de corriente, el voltaje o tensión y la resistencia, lo que derivó en el planteamiento de una relación fundamental que hoy se denomina en su honor, Ley de Ohm. La ley de Ohm se enuncia de la siguiente manera: En un conductor recorrido por una corriente eléctrica, el cociente de la diferencia de potencial aplicada a los extremos del conductor y la intensidad de la corriente que por él circula, es una cantidad constante, que depende del conductor, denominada resistencia. V Y se expresa matemáticamente así: I= R
Donde: I = intensidad de corriente, en Amperios (A) V = diferencia de potencial, en Voltios (V) R = resistencia, en ohmios (Ω) 11. Como actividad importante, busquen en la bibliografía a su alcance problemas resueltos sobre la ley de Ohm y copien al menos 3 que sean diferentes en cuanto a su proceso de solución, acompañándolos de notas sobre qué aspectos considerar para resolverlos
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3.1.6. Concepto de pila. Circuitos eléctricos con pilas y resistencias conectadas en serie y paralelo Una pila es un dispositivo que transforma la energía química en energía eléctrica. Por su parte, una batería es un agrupamiento de dos o más pilas unidas en serie o en paralelo. Existen diversos tipos de pilas, entre ellas la más usada en los aparatos electrónicos es la pila seca que produce una fuerza electromotriz (fem) de 1.5 V entre sus terminales. CONEXIÓN EN SERIE La conexión de pilas en serie se efectúa uniendo el polo positivo de una con el polo negativo de la otra y así sucesivamente, hasta obtener la fem que se desea. En el momento que cualquiera de las pilas se retira, el circuito deja de funcionar.
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12. Un ejemplo cotidiano de conexión de pilas en serie lo tenemos en la lámpara de mano en la que introducimos dos o más pilas en la que una toca el polo negativo de la otra. Busca otros ejemplos en los que conectes pilas en serie y anótalos en las líneas siguientes: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________
CONEXIÓN EN PARALELO La conexión de pilas en paralelo se realiza enlazando, por una parte, todos los polos positivos y, por la otra, todos los polos negativos. El resultado que se obtiene al medir el voltaje entregado es el mismo que se obtendría de cada una de las pilas por separado. Por ejemplo, si conectamos en paralelo 6 pilas de 1.5 V, el voltaje entregado por todas ellas juntas es también de 1.5 V. Sin embargo, al medir la intensidad de la corriente notaremos que su valor se ha incrementado. A diferencia de la conexión en serie, cuando cualquiera de las pilas conectadas en paralelo se retira, el circuito sigue funcionando. 14. Busca algunos ejemplos donde se conecten pilas en paralelo y anota al menos tres en las líneas a continuación: ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ ________________________________________________________________________ 15. Dibuja un diagrama de conexión de pilas en paralelo.
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CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE Las resistencias en este tipo de conexión se unen por sus extremos una a continuación de la otra, de tal suerte que la intensidad de corriente que pasa por una, es la misma en todas las demás
Resistencia en serie R1
R2
V1
V2
Al conectar dos o más resistencias en serie, es posible calcular la resistencia equivalente, que se define como aquella que presenta la misma oposición al paso de la corriente que la que presentan juntas todas las demás resistencias. La expresión matemática es la siguiente:
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Re = R1 + R2 + R3 + … + Rn Donde: Re = resistencia equivalente R1 + R2 + R3 + … + Rn = suma del valor de las resistencias 1, 2, 3, hasta un n número de ellas. Resistencia equivalente
Ve
El voltaje final resultará de sumar los voltajes que entrega cada resistencia, por lo que: V = V1 + V2 + V3 … etc. Y, aplicando la ley de Ohm, considerando que la intensidad de corriente es la misma para cada resistencia, la expresión matemática a utilizar es: V = IR1 + IR2 + IR3… etc.
CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO Cuando las resistencias se conectan en paralelo, sus terminales se unen en dos bornes comunes que se enlazan a la fuente de energía o voltaje. Resistencia en paralelo R1
A
R2
B
V
En este tipo de conexión la corriente eléctrica se divide en cada uno de los ramales o derivaciones del circuito y dependerá del número de resistencias que se conectan en paralelo; en consecuencia, si una resistencia se desconecta, las demás seguirán funcionando, pues la corriente eléctrica no se interrumpirá. Para calcular la resistencia equivalente utilizaremos la siguiente expresión matemática: 1 = 1 + 1 + 1 +...+ 1 Rn Re R1 R2 R3 ¿Qué sucede con el voltaje? Es el mismo para cada uno de los ramales, por lo que : V = V1 = V2 = V3, etc. Veamos ahora ejemplos en los que aplicamos los conceptos vistos: Determina el valor de la resistencia equivalente, si se tienen 3 resistencias, cuyos valores son: R1 = 3Ω, R2 = 5Ω, R3 = 7Ω conectadas primero en (a) serie y (b) en paralelo. (a) En serie. Aplicamos la fórmula: Re = R1 + R2 + R3 Re = 3Ω + 5Ω + 7Ω = 15Ω b) En paralelo.
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b) En paralelo. Aplicamos la fórmula: 1 = 1 + 1 + 1 +...+ 1 Rn Re R1 R2 R3 1 = 1 +1 +1 5 7 Re 3 1 = 35+21+15 = 71 Ω 105 105 Re 3.1.7. Potencia eléctrica y el efecto Joule ¿Recuerdas la definición de “potencia”? En efecto, es el trabajo realizado por unidad de tiempo. De forma similar, una carga eléctrica que se mueve en un circuito a través de un conductor realiza un trabajo, mismo que se consume generalmente al calentar el circuito o hacer girar un motor. A este tipo de trabajo se le llama con toda propiedad “trabajo eléctrico” y puede calcularse mediante una fórmula fácil de recordar: P = VI………….. (1)
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Donde: P = potencia eléctrica en watts (W) V = diferencia de potencial, en volts (V) I = intensidad de corriente, en amperes (A) En ocasiones es necesario considerar la resistencia del circuito y haciendo referencia a la ley de Ohm, la expresión para calcular la potencia eléctrica queda así: P = I2R………….. (2) O bien: P=
………….. (3)
Considerando que la potencia eléctrica es también la energía que consume una máquina o dispositivo eléctrico en un segundo, podemos utilizar la siguiente expresión: P=
T t
………….. (4)
Donde: T = trabajo realizado, lo que es igual a la energía eléctrica consumida por el disposi tivo, en watt-segundo (o en forma práctica, en kilowatt-hora, Kw-h) t = tiempo que dura funcionando la máquina, en segundos. 16. Busca ahora en la bibliografía a tu alcance problemas sobre potencia eléctrica en que se apliquen las fórmulas que hemos descrito. Anota un ejemplo de cada tipo acompañándola de tus notas sobre el proceso de solución:
El efecto Joule Es conocido el hecho de que cuando una corriente eléctrica circula por un conductor, éste se calienta. La razón es que parte de la energía cinética de los electrones se transforma en energía calorífica. A este hecho se le conoce en el ámbito de la Física como “efecto Joule” y su enunciado es el siguiente: La rapidez con que se desprende calor de un conductor depende de la segunda potencia de la corriente y de la resistencia del conductor.
¿Qué significa este enunciado? Citemos, como ejemplo, que si la intensidad de la corriente se duplica, entonces la velocidad con la que se desprende calor se cuadruplica; asimismo, si un conductor tiene alta resistencia se calentará más rápidamente que otro en el que la energía fluya más fácilmente. El efecto Joule tiene una relación estrecha con la ley de Ohm, por lo que la expresión matemática para su cálculo es la siguiente: Q = 0.24 I2Rt Donde: Q = energía calorífica, en Joules I = intensidad de corriente, en Amperes R = resistencia del circuito, en Ohms t = tiempo en el que está funcionando el dispositivo, en segundos Veamos unos ejemplos de su aplicación: a) Determina la cantidad de calor que produce en 3 min la resistencia de una plancha eléctrica de 40 Ω si por ella circula una corriente de 5 A y se encuentra conectada a una diferencia de potencial de 120 V. Solución: Para aplicar nuestra fórmula solamente requerimos efectuar previamente la conversión de los minutos a segundos, por lo que: Q = 0.24 I2Rt Q = 0.24 (5A)2(40Ω)(180s) Q = 43,200 cal
b) Calcula la cantidad de calor que se produce en un tostador eléctrico que tiene una resistencia de 30 Ω si se conecta a una diferencia de potencial de 120 V durante 2.5 min.
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Solución: Analizando los datos, nos podemos dar cuenta de que no podemos aplicar directamente la fórmula puesto que desconocemos el valor de la intensidad de corriente; sin embargo, utilizando la ley de Ohm podemos calcularlo: I= V R I= 120 V 30 Ω I=4A Aplicamos nuestra fórmula y encontramos la solución: Q = 0.24 I2Rt Q = 0.24 (4A)2(30Ω)(150s) Q = 17,280 cal 3.2. Magnetismo
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Objetivo temático: explicarás la importancia del magnetismo en el desarrollo de la ciencia y su aplicación en la tecnología, mediante la observación de sus efectos y características, que permitan comprender el empleo de dicho fenómeno en diversos aparatos y dispositivos de uso común.
El fenómeno del magnetismo, según los registros históricos, se conoce desde hace miles de años. Las manifestaciones conocidas más antiguamente corresponden, en primera instancia, a los imanes que se encuentran naturalmente en la forma de algunos depósitos minerales, como la magnetita. Pasado el tiempo logró descubrirse el magnetismo terrestre, produciendo como resultado tecnológico la invención de la brújula y su posterior aplicación a la navegación marítima. El estudio sistemático de los fenómenos magnéticos comenzó hace algunos siglos, encontrándose al famoso matemático Gauss entre los investigadores que realizaron contribuciones de importancia. Juan Cristian Oersted (1777-1851) descubrió que las corrientes eléctricas dan origen a efectos magnéticos, en particular, la corriente eléctrica que circula por un conductor produce un efecto que es completamente equivalente al que produce un imán, siendo capaz de atraer objetos de hierro, modificar la orientación de una brújula, etc. Como veremos a lo largo del estudio de este tema, el magnetismo y la electricidad están estrechamente unidos no sólo en sus manifestaciones sino en los mecanismos a nivel atómico que les dan origen.
3.2.1. Concepto de magnetismo - Tipos de imanes. - Campo magnético. - Interacción entre polos. Actividades: 1. Conforme acudas a las fuentes de información que estén a tu alcance, te recomendamos tener siempre presente las preguntas siguientes para que tu búsqueda sea más efectiva. Toma las notas que le den respuesta a cada una de ellas y enriquécelas todo lo posible comparándolas con las que han tomado tus compañeros y solicitando el apoyo de tu asesor para aclarar dudas:
• ¿Qué es el magnetismo? • ¿Cuántos tipos de imanes existen? • ¿A qué se le llama campo magnético y cómo puede medirse? • ¿De qué forma interactúan entre sí los polos de un imán? 2. Estudia las siguientes definiciones de magnetismo, compáralas y anota tus reflexiones en el cuadro que proporcionamos a continuación: El magnetismo es... …un fenómeno por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión a otros materiales. …la propiedad que tienen los imanes de atraer cuerpos hechos de algunos materiales como hierro y níquel, y de ejercer fuerzas sobre cargas eléctricas en movimiento o sobre alambres que las conducen como corriente eléctrica. …un movimiento de cargas eléctricas, tal como lo constituye un electrón girando alrededor de su núcleo. …la propiedad de atraer que tiene la piedra imán.
Similitudes
Diferencias
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Mi definición de magnetismo:
3. Existen, básicamente, tres tipos de imanes: los naturales, los artificiales permanentes y los imanes artificiales temporales. Investiga en los medios a tu alcance y anota la descripción de cada tipo y al menos dos ejemplos: a) Imanes naturales:
b) Imanes artificiales permanentes:
c) Imanes artificiales temporales:
72 4. ¿Qué es el campo magnético? ¿Cómo interactúan los polos de un imán? Antes de responder las preguntas, realiza la siguiente experiencia para la cual necesitarás un imán de barra, una brújula, limadura de hierro y una hoja de papel. A. Explora la región que rodea a la barra imán y observa hacia dónde se dirigen las llamadas “líneas de fuerza”. B. Toma la hoja de papel y distribuye en ella la limadura de hierro. Acto seguido, coloca por debajo la barra imán y muévela hacia diferentes sentidos hasta observar cómo toda la limadura de hierro ha adquirido una orientación. Trata de dibujar lo que observas y coméntalo con tus compañeros y tu asesor. C. Indaga sobre las definiciones de campo magnético y anota una de ellas en el siguiente espacio:
D. Finalmente, busca información sobre las unidades del Sistema Internacional en las que se mide el campo magnético y anota sus equivalencias:
3.2.2. Magnetismo terrestre Nuestro planeta, como apuntábamos anteriormente, se comporta como un gigantesco imán y produce un campo magnético en el que los polos magnéticos no coinciden con los polos geográficos, ¿cuál es la razón de tal comportamiento?, ¿por qué no coincide el polo geográfico con el polo magnético? ¿A qué se le llama declinación y cómo se entiende en el ámbito del magnetismo terrestre? Asimismo, ¿qué debe entenderse por inclinación magnética? 5. Investiga en los medios a tu alcance y si dispones de conexión a Internet visita el sitio: http://www.practiciencia.com.ar/ctierrayesp/tierra/estructura/campomag/index.html que te será de mucha utilidad. Asimismo, si tienes acceso a la enciclopedia Encarta busca el artículo Tierra (planeta) y estudia la sección 6 donde se habla del magnetismo terrestre. 6. Escribe tus notas sobre el magnetismo terrestre en tu cuaderno y acompáñalo de dibujos que ilustren los puntos más importantes. Pide la ayuda de tu asesor para disipar las dudas, si las hubiese. 3.3. Electromagnetismo Objetivo temático: Explicarás la relevancia del electromagnetismo en el desarrollo de la ciencia y de su aplicación en la tecnología, a partir del estudio de sus principios y leyes, reflejados en la construcción de diversos aparatos, la electrificación del mundo y con ello el progreso y mejor nivel de vida para la humanidad.
Hemos estudiado ya los elementos básicos de la electricidad y del magnetismo, sin embargo, existe una rama de la Física que estudia y unifica los fenómenos eléctricos y magnéticos en una sola teoría y se llama Electromagnetismo. Sus fundamentos fueron puestos por el eminente científico inglés Michael Faraday (1791-1867) y formulados de manera explícita por el también eminente científico escocés James Clerk Maxwell (1831-1879). En este tema nos asomaremos a su comprensión en los aspectos básicos. Emprendamos pues el estudio con ahínco para terminar nuestra unidad y nuestro curso de Física 2, ¡ánimo! 3.3.1. Concepto de electromagnetismo y su desarrollo histórico
Actividades:
1. Tu primera tarea será conocer qué se entiende por electromagnetismo y cuál ha sido su desarrollo histórico. Busca, toda la información que puedas recabar al respecto y escribe un resumen donde incluyas los aspectos más importantes. Puedes consultar http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_3.htm
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Te recomendamos, de la colección “La ciencia para todos”, el volumen “Electromagnetismo: de la ciencia a la tecnología” que podrás encontrar en formato digital en la dirección: http://omega.ilce.edu.mx:3000/sites/ciencia/volumen3/ciencia3/112/htm/electr. htm
3.3.2. Descripción cualitativa del campo magnético producido por una corriente eléctrica en un conductor recto, una espira y un solenoide Una Espira consiste en un dispositivo muy sencillo en el que un alambre se enrolla para formar un círculo. Cuando se hace pasar corriente a través de ella el campo magnético que se genera es circular y perpendicular a la misma. Sin embargo, a cierta distancia del conductor, la dirección del campo se distorsiona. Por otra parte, la intensidad del campo magnético se multiplica cuando no se tiene una sola espira sino varias unidas formando un solenoide, como veremos a continuación.
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El Solenoide es un alambre aislado que se enrolla en forma de hélice (como una “bobina”) por el que circula una corriente eléctrica. Cuando esto sucede, se genera un campo magnético dentro del solenoide. El campo magnético que se forma está dirigido en líneas rectas a través del solenoide y es más intenso dentro de él que en la parte exterior. Cuando se introduce una barra dentro del solenoide y se hace pasar la corriente eléctrica por la bobina, se convierte todo el dispositivo en un electroimán. Los electroimanes tienen muchas aplicaciones, como ejemplo, citemos las válvulas que responden a pulsos eléctricos. Cuando es necesario se hace pasar la corriente para accionarla. De manera similar, los electroimanes se utilizan para regulación de fluidos hidráulicos o neumáticos. 3.3.3. Inducción electromagnética y su relevancia en la electrificación El científico inglés Michael Faraday realizó, en 1831, un experimento que le permitió descubrir las corrientes eléctricas inducidas. Para su experimento construyó una bobina y la conectó a un galvanómetro. Posteriormente introdujo un imán en forma de barra al interior de la bobina y notó que si ambos elementos (el imán y la bobina) se mantenían quietos no sucedía nada, pero al efectuar un movimiento de cualquiera de los dos se generaba una corriente eléctrica por ese hecho y ésta es detectada por el galvanómetro. Inicialmente probó con la bobina fija y moviendo al imán a través de su interior.
Posteriormente movió la bobina manteniendo fijo el imán y en ambos casos el resultado fue similar. Notó, además, que la intensidad de la corriente estaba en función de la rapidez del avance de cualquiera de los elementos. Esto se ha aprovechado en la construcción de los denominados “generadores” donde se tienen una o más enormes bobinas que giran entre los polos de potentes imanes para generar así grandes cantidades de energía eléctrica. Tal es el principio básico de la generación de energía tanto en las hidroeléctricas, termoeléctricas, nucleoeléctricas, etc. En las que se aprovecha el impulso para hacer girar las bobinas y obtener electricidad por inducción electromagnética. 3.3.4. Características de la corriente directa y alterna - Funcionamiento del transformador, generador y motor eléctrico. 2. Investiga en los medios a tu alcance y responde a las preguntas: a) ¿A qué se le llama corriente directa? b) ¿A qué se le llama corriente alterna? c) Dentro de la corriente alterna, ¿a qué se le llama “ciclo”? d) ¿Cuáles son, en nuestro país, las características de ciclo y voltaje de la corriente alterna? e) ¿Cuál es, en esencia, el funcionamiento de un transformador? f) ¿Cuál es la transformación de energía que se lleva a cabo en un generador eléctrico? g) ¿Cuáles elementos constituyen a un generador eléctrico? (elabora un diagrama) h) ¿Qué tipo de conversión de energía lleva a cabo un motor eléctrico? i) ¿Cuáles son los elementos indispensables para construir un motor eléctrico? j) Describe brevemente el funcionamiento de un motor eléctrico 3. Si dispones de conexión a Internet te sugerimos revisar estos sitios que contienen información al respecto: • http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_directa/ke_corriente_directa_1.htm • http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_corriente_alterna/ke_corriente_alterna_1.htm • http://es.wikipedia.org/wiki/Transformador
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3.3.5. Impacto social, cultural y ambiental de las contribuciones de la Física - Riesgos y beneficios. 3. Organicen equipos de tres o cuatro compañeros y diseñen una encuesta para indagar con personas de su comunidad, cuál es la opinión que tienen sobre los avances científicos logrados por las contribuciones de la Fisica. a) Sean específicos sobre aquellas aplicaciones o contribuciones que vayan a preguntar. Por ejemplo, se podría preguntar sobre cómo han mejorado las comunicaciones, cuáles han sido los inventos que más les ayudan a tener comodidad en sus actividades diarias, etc. b) En la medida de lo posible, construyan sus preguntas refiriéndose a aplicaciones que tengan que ver con los temas vistos en esta asignatura: hidráulica, calor, electricidad, electromagnetismo, etc.
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c) Organizados por su asesor apliquen la encuesta y posteriormente procesen la información, para obtener conclusiones sobre cómo las personas de tu comunidad experimentan avances en su forma de vida mediante el uso de las contribuciones de la Física. 4. Finalmente, organicen un debate sobre las conclusiones obtenidas en la actividad anterior.
¿Qué he aprendido? Ha llegado el momento de examinar cuánto has aprendido y cuáles son los temas que debes repasar en caso necesario. Resuelve lo que se pide y al final consulta la clave de respuestas para calificarte. I. Define los siguientes términos: • Carga eléctrica • Conductor • Aislante • Ley de Coulomb • Ley de Ohm • Electroscopio 2. Resuelve los problemas que te proponemos a continuación: a) Dos esferas, cada una con una carga de 3 µC se encuentran separadas 20 mm, ¿cuál es la fuerza de repulsión entre ellas? b) ¿Cuál será la separación entre dos cargas de -4 µC, si la fuerza de repulsión entre ellas es de 200 N? c) Calcular la fuerza eléctrica entre dos cargas cuyos valores son: q1=2µC, q2=6µC, al estar separadas en el vacío por una distancia de 40 cm. Determinar también el valor de la fuerza eléctrica, si las cargas se sumergieran en agua. d) Una carga de 7x10-1 µC se encuentra en el aire a 10 cm de otra carga de 3x10-1 µC. Determinar el valor de la fuerza eléctrica entre ellas. Calcular también el valor de la fuerza eléctrica si las cargas se sumergen en gasolina. e) La fuerza con la que se rechaza una carga de 8µC con otra carga, es de 4x10-1 N. Determinar el valor de la carga desconocida, si las dos cargas están en el aire a una distancia de 50 cm f) Una carga de -3 µC se encuentra en el vacío a 30 cm de otra carga de 6 µC, como se ve en la figura: 30 cm
q1
f1
f2
q2
i. Determinar el valor de la fuerza F1 ejercida sobre q1 por q2 ii. ¿El valor de la fuerza F2 ejercida sobre q2 por q1 es igual o diferente a F1? iii. Calcular el valor de la fuerza eléctrica entre las cargas si estuvieran sumergidas en aceite (ver cuadro de permisividades relativas). g) Dos cargas iguales se encuentran en el aire a 20 cm de distancia y se rechazan con una fuerza de 8 x 10-1 N ¿Cuánto vale cada carga en coulombs?
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h) Calcular la distancia a la que se encuentran dos cargas eléctricas de 4x10-7 C cada una, al rechazarse con una fuerza de 5x10 -2 N i) ¿Cuál es, en miliamperes, la corriente que pasa por una resistencia de 22 KW cuando se aplican 10 voltios? j) Si por una resistencia de 1 MΩ pasan 50µA ¿Cuál es el voltaje en el circuito? k) Si se desea tener una corriente de 10 mA al aplicar un voltaje de 5 V, ¿cuál debe ser el valor de la resistencia?
R3 R1 R2
l) Calcula el valor de la resistencia equivalente para el circuito de la figura, sabiendo que R1 = 150 Ω, R2 = 150Ω y R3 = 150Ω m) ¿Cuál es el valor de la resistencia equivalente para el caso representado en la siguiente figura? R1=10 Ω
R2=2 Ω
78 VR1 l=10 A
VR2 125 V
Vl +
Quiero saber más ¿Qué son los rayos, los relámpagos y los truenos? Uno de los hechos más característicos de las tormentas es la presencia de fenómenos eléctricos, entre los que contamos a los rayos, los relámpagos y los truenos. ¿Por qué se da este fenómeno? Al desarrollarse una tormenta se favorece la formación de iones particulares que contiene la atmósfera. Los iones positivos se acomodan en la parte alta y los negativos en la parte baja de la nube. Por otro lado, la tierra se carga de iones positivos. Todo ello genera una diferencia de potencial de millones de voltios que terminan por producir fuertes descargas eléctricas entre distintos puntos de una misma nube, entre nubes distintas o entre la nube y la tierra. A estas descargas les llamamos rayos. Por otro lado, los relámpagos son fenómenos luminosos asociados a los rayos, aunque también suele dárseles este mismo nombre a las descargas eléctricas producidas entre las nubes. Asociado con la presencia de estos fenómenos encontramos a los truenos que tienen su origen en el calor producido por la descarga eléctrica. El aire se expande bruscamente y después se contrae al enfriarse, lo cual provoca ondas de presión que se propagan como ondas sonoras que viajan a la velocidad del sonido, esto es a unos 300 m/s Como puedes darte cuenta, estos fenómenos están asociados de manera directa con la electricidad y están presentes con frecuencia dondequiera que vivamos. Para aprender más sobre ellos te invitamos a visitar los sitios Web:
http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2001/ast05dec_1.htm http://www.angelfi re.com/nt/terremotos/rayos.html
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RESPUESTAS
1
I. a) Barómetro. b) Es la fuerza por unidad de área ejercida de manera perpendicular. c) La presión que se ejerce en un líquido confinado se transmite de manera uniforme en todas direcciones. d) Que su densidad promedio es menor. e) Los fluidos en movimiento. f) Cohesión. g) Tensión superficial. h) Viscosidad. i) La altura desde la superficie del líquido hasta el punto de referencia.
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II. Relación de columnas. ( 3 ) ( 4 ) ( 1 ) ( 2 )
III.
1. ( 2. ( 3. ( 4. (
a d c b
) ) ) )
IV. Solución de problemas. 1. h= 60.02 m 2. Densidad= 19,300 kg/m3 Peso específico= 189,142 N/m3 3. a) Peso específico= 32,407 N/m3 b) Densidad= 3,307 kg/m3 c) Empuje= 2,117 N d) Peso aparente= 4,832 N 4. v= 4.96 m/s 5. F= 302 N 6. t= 106 min
RESPUESTAS
2
II. a) 323 °K b)393 °K c) -63 °C d) 0 °C e)100°C III. 1. 30.0288 m 2. a) 10.0024 cm, b) 9.9964 cm 3. 40.00528 m 4. 1113°C 5. 105,600 J
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RESPUESTAS
3
I. Carga eléctrica: Es una propiedad intrínseca de algunas partículas sub-atómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico es la fuente de una de las cuatro fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética.
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Electroscopio: es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. II. a) 202 N b) 26.8 mm c) F=-6.75 x 105 N (en el vacío) F’=-8.38 x 103 N (en el agua)
Conductor: Son los elementos metálicos, generalmente cobre o aluminio, permeables al paso d) F=2.1x10-3 dinas (en el aire) de la corriente eléctrica y que, por lo tanto, F’=8.9x10-4dinas (en la gasolina) cumplen la función de transportar la “presión electrónica” de un extremo al otro del cable. e) q2= 1.38 x 10-6 C =1.38 µC También se define como el material que opone mínima resistencia ante una corriente eléctrica. f) Los materiales que no poseen esta cualidad se i. F=-1.8N denominan aislantes. ii. F1= F2 iii. F’=6.4x10-1 N (en el aceite) Aislante: es aquel material que, debido a que los electrones de sus átomos están fuertemente g) q1=q2=1.88x10-6C = 1.88 µC unidos a sus núcleos, prácticamente NO permite sus desplazamientos y, por lo tanto, tampoco h) r = 1.697x10-1 m = 16.97 cm el paso de la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de tensión entre dos puntos i) 0.424 mA del mismo. j) 50 V Ley de Coulomb: La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 es proporcional al producto k) 500 Ω de las cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de pro- l) 100 Ω porcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas. m) 12 Ω Ley de Ohm: La corriente eléctrica es directamente proporcional al voltaje e inversamente proporcional a la resistencia eléctrica.
