MIV - U2 - Actividad Integradora, Fase III

Física I

MIV-U2- Actividad 3. Proyecto integrador Fase III Datos de identificación Introducción La energía es la capacidad para desarrollar un trabajo. Algunas veces nos resulta extraño pensar que un objeto en reposo pudiera tener energía, sin embargo si ese objeto se encuentra en reposo a cierta altura y desde ahí se deja caer es capaz de realizar un trabajo. De la misma forma un trabajo desarrollado sobre un objeto cuando se le aplica una fuerza a lo largo de cierta distancia, es capaz de producir alguna manifestación de energía, por ejemplo el trabajo necesario para llevar un objeto hasta cierta altura se transforma en energía potencial, que es la energía de la posición, de la altura que tiene el objeto con respecto a una referencia. Igualmente, el trabajo de una fuerza para lograr producir una velocidad sobre un objeto, resulta de la transformación de ese trabajo en energía cinética, que es precisamente la energía de la velocidad. En esta simulación computacional tendrás la oportunidad de analizar la relación entre el trabajo y las otras formas de energía. Por otra parte podrás analizar que el trabajo es producido por una fuerza y que a su vez acelera el cuerpo modificando su velocidad. Instrucciones 1. Ingresa a la siguiente página: http://phet.colorado.edu/sims/the-ramp/the-ramp_es.jar Ahí encontrarás una simulación computacional que representa una persona tratando de mover un archivador. Abajo a la izquierda de la representación anterior aparece una ventana en donde se puede manipular el valor de la “Fuerza Aplicada (N)” por la persona sobre el archivero, y el botón “¡Adelante!” que sirve para iniciar la simulación. La fuerza aplicada también puede ser modificada mediante el “arrastre” de una flecha de color café claro que se encuentra entre la ventana anterior y la gráfica. La gráfica que se muestra registra en el eje vertical, las fuerzas, aplicada en café claro, de fricción en color rojo, de gravedad (peso) en color azul y de la pared al chocar en color amarillo.

1 D.R.© Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey, Eugenio Garza Sada 2501 Sur, Col. Tecnológico, Monterrey, N.L. México. 2013

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Ventana para modificar la fuerza

Botón para iniciar

Flecha para modificar la Fuerza

Botón para presentar la gráfica de energía.

Botón para presentar la

Debajo de la gráfica hay dos botones, uno para presentar la gráfica de energía (Energía Gráfico) y el otro para presentar la gráfica de trabajo (Trabajo Gráfico). En la columna de la derecha aparece el objeto que se moverá, en este caso corresponde a un “Archivador” de 100kg y con coeficiente de fricción  K  0.3 . Debajo de esto aparece la posición inicial de la persona y el archivador, “Posición”, arrastra la flecha hasta que marque -6.0 metros para tener una mayor distancia para evaluar el trabajo en la simulación. Debajo del control de la posición aparece el control de la inclinación de la rampa “Angulo de Rampa”, mientras más grande sea ese valor, mayor será el valor de la altura del objeto al subir.


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Control de la posición

Control del ángulo

I.

Energía

1. Haz clic en los botones “Energía Gráfico” y “Trabajo Gráfico” para que aparezcan respectivamente las gráficas de energía y de trabajo. 2. Arrastra el ajuste de la posición “Posición” a -6m para tener oportunidad de analizar en una distancia adecuada el movimiento. 3. Arrastra el control del ángulo de la rampa “Ángulo de Rampa” hasta que marque cero grados, con lo cual el objeto se deslizará sobre un plano completamente horizontal. Quedando como se muestra en la siguiente figura:


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4. En la ventana para modificar la fuerza, que se encuentra a la izquierda de la gráfica asigna un valor de fuerza aplicada entre 10 y 20 Newton 5. Ahora haz clic al cuadrito a la izquierda de las palabra “Sin Fricción”, con esto al deslizarse el objeto lo hará sin que exista fuerza de fricción.

6. Haz clic al botón “¡Adelante!” y deja que pasen algunos segundos e interrumpe la simulación oprimiendo el botón “ Pausa”

7. Tomando el valor de la fuerza aplicada y de la distancia recorrida (recuerda que el movimiento inició en -6 m) calcula el trabajo desarrollado por la fuerza aplicada mediante W  FdCos


Física I

Ejemplo:

Para calcular la distancia recorrida, a la posición final le restamos la posición inicial, por ejemplo en la ventana anterior muestra una posición final de 4.35m y si la posición inicial era de -6m entonces Distancia recorrida = 4.35m –(-6m) = 4.35m + 6m= 10.35m 8. Tomando el valor de la masa y de la velocidad que aparece a la izquierda y arriba en la simulación calcula la energía cinética mediante K  1 / 2mV 2 Valor de la masa

Valor de la Velocidad (m/s)


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9. Oprime el botón Reiniciar localizado arriba y a la derecha de la pantalla y repite los pasos del 1 al 8 y llena la siguiente tabla:


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Valor de la Fuerza aplicada (Newton)

Distancia Recorrida (metros)

Trabajo Masa del Velocidad Desarrollado objeto del Objeto por la (Kilogramos) (m/S) Fuerza aplicada (Joules)

Valor de la Energía Cinética del objeto (Joules)

Ensayo 1

10 N

5.14 m

51.4 j

100 Kg

1.02 m/s

104.04 j

Ensayo 2

20 N

10.44 m

208.8 j

100 Kg

2.04 m/s

416.16 j

I. Energía y su conservación a) ¿Existe alguna diferencia entre el trabajo desarrollado por la fuerza aplicada sobre el objeto con respecto a la energía cinética que este adquiere? Si hay diferencia por que la energía cinética es mayor. b) ¿A qué se debe lo anterior? En el trabajo, interviene en la energía cinética haciendo que la energía cintica sea doble de lo que ya es el trabajo que es desarrollado por la fuerza. c) ¿Qué se puede concluir con respecto a la relación entre trabajo de una fuerza y energía cinética? Cuanto más trabajo de fuerza exista, más energía cinética habrá también. d) ¿Existirá la misma relación entre trabajo y energía potencial? Si, por que la energía potencial puede convertirse en trabajo. e) ¿Existirá la misma relación entre las energías potencia y cinética? La energía potencial se puede transformar en cinética, no existe la misma relación ya que si hay más de una hay menos de la otra.


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I.

Leyes de Newton

11. Recordando lo aprendido en el módulo 3 con respecto a la segunda ley de Newton contesta lo siguiente: a) ¿Qué relación existe entre la aceleración, la masa y la fuerza aplicada a un objeto? Como dice la segunda ley de Newton, La resultante de todas las fuerzas aplicadas a un cuerpo es igual al producto de su masa por la aceleración que le transmite. b) Si aplicas una fuerza grande, ¿Cómo es la aceleración, es grande o pequeña? Pues es una aceleración grande, porque entre más fuerza, más aceleración. c) Si tienes una masa grande, ¿Cómo es la aceleración, grande o pequeña? Pequeña. d) Tomando los datos de Fuerza y masa de la tabla de la pregunta 9, para cada uno de los ensayos, calcula la aceleración y llena la siguiente tabla: Fuerza 10 N 20 N

Ensayo 1 Ensayo 2

Masa 100 Kg 100 Kg

Aceleración 0.1 0.2

e) Considerando que la masa en ambos ensayos es la misma, ¿Concuerdan los resultados del inciso d) con lo señalado en el inciso b)?. Si.

II.

Cinemática

12. Recordando lo aprendido en el módulo 2 con respecto al movimiento acelerado contesta las siguientes preguntas a) Si un objeto tienen aceleración positiva, ¿qué sucede con su velocidad, aumenta, disminuye o permanece constante? Aumenta. b) Sabiendo que la velocidad inicial es cero, tomando la distancia recorrida para el ensayo1 de la tabla de la pregunta 9 y la aceleración calculada en el ensayo 1 del inciso d) de la pregunta 11, calcula la velocidad final 2 2 con la ecuación V  V0  2ad y llena la siguiente tabla


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Ensayo 1

Velocidad inicial ( V0 ) 0 m/s

Aceleración

Distancia

0.1

5.14 m

Velocidad final (V ) 1.02

c) Concuerda este resultado con el que se presenta en la columna correspondiente a “Velocidad del Objeto m/s” Concuerda. d) Sabiendo que la velocidad inicial es cero, tomando la distancia recorrida para el ensayo1 de la tabla de la pregunta 9 y la aceleración calculada en el ensayo 2 del inciso d) de la pregunta 11, calcula la velocidad final con la ecuación V 2  V02  2ad y llena la siguiente tabla

Ensayo 1

Velocidad inicial ( V0 ) 0 m/s

Aceleración

Distancia

0.2

5.14 m

Velocidad final (V ) 2.05

e) Concuerda este resultado con el que se presenta en la columna correspondiente a “Velocidad del Objeto m/s” No concuerda, se pasa por .01.


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