fÍsica - educacionadultos.com.arsica.pdf · movimiento rectilíneo uniformemente variado...

FÍSICA

GOBERNADORA DE LA PROVINCIA DE BUENOS AIRESLic. María Eugenia Vidal

DIRECTOR GENERAL DE CULTURA Y EDUCACIÓNLic. Gabriel Sánchez Zinny

SUBSECRETARIO DE EDUCACIÓNLic. Sergio Siciliano

DIRECTOR DE EDUCACIÓN DE ADULTOS Prof. Ing. Pedro Schiuma

SUBDIRECTOR DE EDUCACIÓN DE ADULTOSProf. Juan Carlos Latini

MANUAL DE EDUCACIÓN A DISTANCIA

PRESENTACIÓN

Este material que hoy llega a sus manos forma parte de una serie de módulos del Programa de Educación a Distancia (Res. 106/18) de la Dirección de Educación de Adultos de la Provincia de Buenos Aires. El mismo busca ampliar el acceso a la educación secundaria de aquellos jóvenes y adultos mayores de 18 años que se encuentren imposibilitados de concurrir a nuestras escuelas.

La evolución de las tecnologías de la información y de la comunicación nos permite repensar el modelo educativo de enseñanza-aprendizaje. El objetivo de la modalidad a distancia es superar las limitaciones de tiempo y espacio de todos aquellos bonaerenses que quieran terminar sus estudios secundarios. Este Programa tiene como propósito que los estudiantes puedan ingresar y egresar en cualquier momento del año, avanzando según su propio ritmo y con la posibilidad de organizar su trayecto formativo.

La Educación a Distancia es una herramienta que se suma a las ofertas de terminalidad secundaria que ofrece la provincia de Buenos Aires en pos de alcanzar a aquellos que el sistema educativo no les proponía una alternativa de estudio que no requiera concurrir a los servicios educativos presenciales de tiempo completo y con desplazamiento diario.

Esta modalidad se caracteriza por la mediatización de la relación entre el docente y el estudiante, a

Los estudiantes contarán así con el acompañamiento permanente de un profesor tutor a través de los distintos recursos que ofrece el Campus Virtual (campusvirtualadultos.com.ar), y también en instancias presenciales de encuentros individuales e intercambios abiertos grupales para compartir intereses, preocupaciones, dudas, opiniones, explicaciones, materiales, etc.

Este material estará disponible tanto en formato digital como impreso, para que sin importar sus posibilidades, los estudiantes tengan acceso al mismo. Completar sus estudios secundarios es, fundamentalmente, dar un paso más en la construcción de su ciudadanía.

Director de Educación de AdultosProf. Ing. Pedro Schiuma

RESOLUCIÓN DE CREACIÓN 106/18 Año de impresión2019 - 2da EdiciónAdecuación de la estructura curricular modular del Programa Educación a Distancia

Introducción

Unidad 1 Apuntes de clase: Los modelos, las mediciones, los movimientos-1. Introducción-2. Mediciones y errores-3. Teoría elemental del error-4. Movimientos

• 4.1. Movimiento rectilíneo uniforme (MRU)• 4.2. Movimiento rectilíneo uniformemente variadoMovimiento rectilíneo uniformemente variado ecuaciones horarias de movimiento• 4.3. Los movimientos y la acción de la gravedadLa caída libre

Unidad 2 Apuntes de clase: Los principios de la dinámica. Masa peso y gravedad. Trabajo y energía-1. Principios de Newton Introducción

• 1.1. El primer principio de NewtonEl principio de inercia• 1.2. El segundo principio de NewtonEl principio de masa• 1.3. El tercer principio de NewtonEl principio de interacción o principio de acción y reacción

-2. Relación entre peso, masa y gravedad• 2.1. Fuerza de rozamiento• 2.2. Trabajo• 2.3. ¿Y la potencia?

-3. Energía• 3.1. Energía potencia y cinética• 3.2. Algo más de las energías• 3.3. La energía mecánica

Unidad 3 Apuntes de clase: Los materiales y la energía: el calor-1. Introducción-2. Calor

• 2.1. Propagación del calor• 2.2. El efecto invernadero• 2.3. Temperatura• 2.4. Temperatura y energía cinética• 2.5. Equilibrio térmico• 2.6. Temómetro• 2.7. El termómetro clínico de mercurio

-3. Un efecto de acción del calor: la dilatación de los materiales• 3.1. Dilatación lineal• 3.2. Dilatación superficial• 3.3. Dilatación volumétrica

• 3.4. El agua, un caso particularLa dilatación anómala del agua• 3.5. Equilibrio térmico• 3.6. Temómetro• 3.7. El termómetro clínico de mercurio

Unidad 4 Apuntes de clase: Los materiales y la energía: electricidad y magnetismo-1. Corriente eléttrica

• 1.1. ¿Qué es la corriente eléctrica?• 1.2. Una analogía con el agua

-2. Fuerza electromotríz (FEM)• 2.1. La ley de OHM

Unidad 5 Apuntes de clase: Los materiales y la energía: electricidad y magnetismo. Parte 2-1. Introducción-2. Información y precauciones con el uso de la corriente eléctrica

• 2.1. Los sistemas de protección• 2.2. Magnetismo• 2.3. Introducción electromagnética

Unidad 6 Apuntes de clase: Los materiales y la energía: el sonido-1. El sonido

• 1.1. ¿Cuál es el movimiento en el ejemplo de la ola?• 1.2. Otra clasificación para las ondas

-2. Los sonidos del silecio-3. ¿Cómo andamos de nuestros oídos? Cualidades del sonido

• 3.1. Información complementaria• 3.2. “Algo” de los animales y el sonido

Unidad 7 Apuntes de clase: Los materiales y la energía: la luz-1. Introducción

• 1.1. ¿Y cómo son las ondas?• 1.2. Luz y compañía• 1.3. Algunos datos de las ondas que componen el espectro

-2. Fotoprotección• 2.1. Cuando la luz pasa de un medio a otro• 2.2. ¿Pero cómo vemos los demás objetos?

-3. Los colores de las luces• 3.1. Los colores de los pigmentos

-4. Los espejos• 4.1. ¿Qué dicen los físicos sobre los espejos planos?• 4.2. ¿Por qué vemos una imagen “adentro” del espejo?

-5. La refracción de la luz

En esta asignatura se propone la introducción al estudio de algunos fenómenos físicos.

Los contenidos seleccionados ofrecen un tratamiento en el que se presenta una primera aproximación de tipo cualitativa a distintos conceptos físicos, a partir de la observación de fenómenos vinculados con el entorno cotidiano, ya que medimos, nos desplazamos, necesitamos de la energía para movernos, para mover un automóvil, etc.

Dependemos de la energía eléctrica para desarrollar normalmente nuestras actividades de todos los días. Las fuentes de energía eléctrica son posibles gracias a la vinculación de los fenómenos eléctricos y magnéticos. La caída de los cuerpos al piso es un fenómeno al que estamos acostumbrados y es de naturaleza gravitatoria.

Escuchamos los sonidos a través de las ondas sonoras, vemos objetos a través de las ondas luminosas (ondas electromagnéticas), ambas nos permiten comunicarnos entre sí y recibir información del Universo.

Rara vez se examinan con detenimiento estas situaciones que aparecen como naturales y, menos aún, se intenta buscar relaciones entre ellas para explicarlas y/o comprenderlas, este es uno de los propósitos centrales de la materia: promover que se relacionen los conceptos estudiados con situaciones fácilmente reconocibles de la realidad cotidiana.

● Los contenidos se presentan en los siguientes núcleos temáticos: ● Los modelos, las mediciones, los movimientos. ● Los principios de la dinámica. Masa, peso y gravedad. Trabajo y energía. ● Los materiales y la energía. Calor. ● Los materiales y la energía. Electricidad y magnetismo. ● Los materiales y la energía. El sonido y la luz.

Esperamos que a lo largo de este recorrido puedan incorporar otras miradas para ver e interpretar el mundo.

¡Éxitos en su recorrido!

Introducción

FÍSICA

1. Introducción

Algunos autores dicen que la ciencia es el equivalente actual de lo que se solía llamar filosofía natural.

La filosofía natural era el estudio de las preguntas sin respuesta acerca de la naturaleza. En la medida en que se encontraban estas respuestas, pasaban a formar parte de lo que hoy llamamos ciencia.

El estudio de las ciencias actualmente, respecto de un criterio de clasificación, se divide en el estudio de los seres vivos y de los objetos que no tienen vida, es decir, en ciencias de la vida y ciencias físicas. Las ciencias físicas se dividen, a su vez, en ramas como la geología, la astronomía, la química y la física.

La Física estudia la naturaleza de “cosas” como el movimiento, las fuerzas, la energía, la materia, el calor, el sonido, la luz y la composición de los átomos. Así pues, la física sirve de apoyo a la química, y ésta a la vez puede dar sustento a la biología. Las ideas de la física suelen ser esenciales para estas ciencias más complicadas; por eso podemos entender mejor otras ciencias si antes entendemos física.

La ciencia sufrió una gran transformación en el siglo XVII, cuando se descubrió que es posible analizar y describir la naturaleza por medios matemáticos. Cuando las ideas de la ciencia se expresan en términos matemáticos, estas son precisas y carecen de esos “dobles sentidos” que con frecuencia ocasionan confusión cuando se analizan ideas expresadas en el lenguaje de todos los días. Cuando los descubrimientos acerca de la naturaleza se expresan en términos matemáticos es más fácil verificarlos o refutarlos por medio de experimentos. Los métodos matemáticos y la experimentación condujeron al enorme éxito de la ciencia.

Los modelos en cienciaLa realidad “objetiva” es siempre muy compleja y contiene una cantidad de

propiedades que resulta mucho mayor que las estudiadas por los científicos. Si tomamos como ejemplo una simple piedra, su conformación no es sencilla: presenta un gran número de elementos químicos en su composición, distribuidos en su interior de manera no uniforme, seguramente con imperfecciones en su estructura cristalina. La temperatura en su interior, por ejemplo, tampoco será la misma en todos los puntos. Sin embargo, cuando el físico la usa para estudiar la caída de los cuerpos, de todas las propiedades que la piedra presenta, sólo considera relevante la posición de esta en cada instante.

Los científicos siempre hacen una abstracción de la realidad, seleccionando, no sin algo de arbitrariedad, sólo algunas de las propiedades que considera relevantes. Construyen así los llamados sistemas físicos, que pueden resultar una buena interpretación de la realidad, pero no deben ser considerados la realidad misma.

Apunte de clase: Los modelos, las mediciones, los movimientos

UNIDAD 1

EDUCACIÓNa DISTANCIA

1FÍSICA

Una representación conceptual o física a escala de un proceso o sistema (fenómeno), con el fin de analizar su naturaleza, desarrollar o comprobar hipótesis o supuestos y permitir una mejor comprensión del fenómeno real al cual el modelo representa.

En ciencias, se denomina modelo a: la representación matemática o gráfica de la realidad utilizada para plantear un problema, normalmente de manera simplificada y planteada desde un punto de vista matemático. Aunque también puede tratarse de un modelo físico.

Entonces podemos denominar modelo a:

Si miramos o tocamos la piedra, percibiremos que al pensar nuestro sistema físico “piedra” no tuvimos en cuenta su forma o su temperatura, porque estas cantidades no resultaban esenciales para nuestro estudio. Pero es muy difícil saber si se ha dejado de lado alguna propiedad esencial cuando se estudian entes alejados de la percepción de nuestros sentidos, por ejemplo, las partículas subatómicas.

Algunos modelos: Modelos físicos: Utilizados en el diseño de represas, puentes, esclusas, puertos, aeronaves, etc. Modelos matemáticos: Modelos de simulación conceptual, por ejemplo utilizados en hidrología e hidrogeología. Modelos numéricos o simulaciones por computadora. Modelos analógicos: se basan en las analogías que se observan desde el punto de vista del comportamiento de sistemas físicos diferentes que, sin embargo, están regidos por formulaciones matemáticas idénticas.

Seguramente habrán utilizado alguna vez algunos modelos para explicar fenómenos naturales. Seleccionen uno de ellos, nómbrenlo y explíquenlo brevemente.

ACTIVIDAD 1»

2EDUCACIÓN a DISTANCIA

FÍSICA

2. Mediciones y errores

Como venimos diciendo, la física es en gran medida una ciencia experimental.Su interés reside en poder obtener resultados de experiencias y observaciones para decidir si las teorías existentes concuerdan con ellos o si éstas deben ser revisadas. Para obtener los resultados es necesario medir el valor de algunas magnitudes. Recuerden que un conjunto de cantidades comparables entre sí, dos a dos, define una magnitud. Las magnitudes pueden ser: ● longitudes, ● tiempos, ● corrientes eléctricas, ● velocidades, ● presiones, etc. Las magnitudes podían ser escalares o vectoriales, pero además, en este curso, veremos también que las magnitudes pueden ser directamente proporcionales, inversamente proporcionales, o bien no guardar ninguna proporción. La medición de una magnitud siempre implica un error experimental, el error no significa equivocación, sino una serie de eventos que intervienen en el proceso de medición. Por ejemplo cuando medimos tiempos con un reloj de pulsera no podemos apreciar sucesos que duren menos de un segundo, si el reloj tiene cronómetro décimas de segundo, ya que el “paso” del segundero siempre es de segundo en segundo. Otro ejemplo similar se produce al medir alguna pequeña longitud con las reglas que usamos, como estas nos marcan los centímetros y los milímetros, no podríamos medir un objeto con menor precisión que un milímetro. El hecho de medir con cualquier instrumento implica que nunca podemos determinar el valor de la magnitud con mayor exactitud que la menor unidad del instrumento. En el caso de una balanza de baño, solo pedimos determinar pesos con 500 gramos(1/2 kilo) de error.Entonces siempre que se realiza una medición, se comete una serie de imprecisiones que reciben el nombre de errores. Estos pueden deberse a múltiples causas: ● Errores personales: propios de la persona que maneja el instrumento de medición (por ejemplo el error en la observación al leer una probeta, o el error al presionar un cronómetro). ● Errores accidentales: se deben a diversos factores que intervienen en el proceso de medición, como por ejemplo, la falta de luz, etc. Se pueden reducir estos errores realizando muchas mediciones y calculando el valor promedio de todas ellas. ● Errores del aparato: son propios del instrumento de medida y dependen de la precisión con que fue fabricado este.

3. Teoría elemental del error

¿Cómo se expresan las mediciones y cómo se calculan los errores? La incertidumbre en la medición de una magnitud debe ser igual a la capacidad mínima del instrumento utilizado para determinar dicha magnitud. Por ejemplo, si medimos un objeto de 30 cm con una regla graduada al milímetro, su longitud se expresará:

30,0 ± 0.1 cm

Continuamos con la lectura del apunte


3FÍSICA

Si se realiza una única medición, dicha incertidumbre representa el error absoluto (Δx ) que se comete al realizar la medida. El valor más probable o promedio (x) al efectuar varias mediciones

En este caso, al efectuar varias mediciones, el error absoluto se calcula a partir del promedio de los errores absolutos de cada medida, calculado a partir de la diferencia entre el valor de cada medida (valor observado) y el valor más probable.

Δxi = [ xi – xo] error absoluto de cada mediciónΔxo = ( Σ Δxi) / n error absoluto del valor más probable

El error relativo (ε) se define como el cociente entre el error absoluto y el valor más probable.

ε = Δx / xo

El error porcentual (εp) es el error relativo multiplicado por 100.

εp = ε . 100

Se denomina exactitud de una medición a la cercanía o diferencia entre el valor observado y el valor verdadero de la magnitud. La precisión de una serie de mediciones describe las diferencias entre los valores observados, si estos están muy próximos entre sí, tienen alta precisión.

Medir el grosor de una hoja de papel.Sabemos que el grosor de una hoja es muy inferior al milímetro que marcan las reglas de uso escolar. Les pedimos que diseñe un método para poder medirlo, utilizando lo aprendido.

Les proponemos pedir a varias personas que midan el largo de la mesa de su casa, y luego que anoten en un papelito la medida obtenida. Con esos datos expresen la medición y su error utilizando lo aprendido en teoría de error.

ACTIVIDAD 2

ACTIVIDAD 3

»

»

Utilicen el mismo método anterior para medir los “saltos” o piques de una pelotita de tenis o de ping pong si se la deja caer desde una altura de un metro. Comparen los resultados en cuanto a los errores absolutos y porcentuales.

ACTIVIDAD 4 »


FÍSICA

4. Movimientos

¿Cómo sabemos que algo se mueve? Algo se mueve cuando cambia el lugar en el que se halla, de un instante a otro. Siempre que algo se mueve lo hace respecto de otra cosa que suponemos quieta. En física se dice que un objeto se mueve cuando varía su posición. Hay múltiples movimientos a nuestro alrededor: los autos que transitan las rutas, los árboles que se mueven con el viento, el Sol que aparece cada mañana y los distintos astros que recorren el cielo durante la noche. Es fácil observar movimientos, pero tal vez no nos resulte sencillo describirlos. Hay dos buenas razones para ello: ● Todo movimiento es relativo Hoy en día decimos que la Tierra gira alrededor del Sol y que tarda 365 días en dar una vuelta completa. Sin embargo, nos parece que la Tierra no se mueve, y es el Sol que sí lo hace. ● La descripción del movimiento depende de nuestra referenciaPara indicar la posición de un objeto necesitamos tener algún sistema de referencia, es decir, fijar un punto en el espacio desde el cual podamos indicar precisamente la posición del objeto y luego determinar si esta posición varía. Por ejemplo, cuando necesitamos ubicar una esquina de una ciudad, en general, alcanza con decir cuántas cuadras hacia adelante (o hacia atrás) hay que recorrer desde donde estamos y luego cuántas cuadras a la derecha (o la izquierda). En este caso, como en el juego de la batalla naval, solo necesitamos dos datos o coordenadas para ubicarnos. Para describir un movimiento es necesario decir de qué manera se mueve. No es lo mismo una pelota atada a un piolín que se mueve en círculos, que el recorrido que realiza un auto en la ciudad. Por eso hace falta indicar el tipo de trayectoria. Las trayectorias pueden ser rectas, circulares, curvas o adoptar casi cualquier forma.

4.1. Movimiento rectilíneo uniforme (MRU)

Al movernos, los objetos y nosotros, lo hacemos de distintas maneras. Un cierto objeto puede recorrer una distancia en un tiempo dado. Por ejemplo, una persona puede recorrer unos cien metros en tres minutos. La rapidez nos da la pauta de cuán rápido se mueve algo.



5FÍSICA

En este curso hablaremos de: rapidez instantánea, que indica con qué rapidez se está moviendo en ese momento preciso y de rapidez media, (que nos informa de cuánto tiempo le llevó recorrer una cierta distancia). Por ejemplo, un auto que recorre 400 km en 8 horas no necesariamente se ha movido siempre con la misma rapidez. Posiblemente en algún momento se haya movido a 80km/h y en otros a 20km/h. La rapidez instantánea, por ejemplo en el caso de los autos, coincide con el valor que indica el velocímetro en el momento en que lo estamos observando. La rapidez solo nos dice lo rápido que se mueve, pero no nos dice hacia dónde lo hace. Para esto en física se utiliza la velocidad.

La velocidad nos informa sobre la rapidez de un movimiento y además nos dice en qué dirección y sentido se mueve.

Estudiaremos ahora los movimientos que poseen rapidez y velocidad constantes MRU. La descripción del movimiento. Las ecuaciones horarias. Intentaremos ver de qué manera se pueden describir las posiciones de un objeto. Hay dos formas de describir los movimientos que nos permiten mostrar dónde está el objeto ubicado en cada momento:a) mediante gráficosb) mediante ecuaciones Gráficos Una forma de describir el movimiento de un cuerpo consiste en hacer un gráfico de las posiciones que va ocupando en función del tiempo. Por ejemplo: Los gráficos deben realizarse correctamente para obtener las posiciones en forma precisa.

El punto de corte con el eje S nos da la posición inicial del móvil so = 10m. Velocidad positiva.

Regla que pasa por el origen (s0 = 0)

Velocidad negativa so = 30m

Instante en que pasa por el origen

S (m)

t (s)t (s)

10

30

s (m)

10


FÍSICA

Los dos primeros gráficos nos muestran el desplazamiento en función del tiempo. El tercero nos muestra la velocidad (constante) en función del tiempo.

EcuacionesPara poder describir el movimiento de un objeto es necesario usar una

ecuación horaria.

Una ecuación nos permite calcular la posición del móvil en cualquier instante.

La ecuación horaria se suele anotar como una función x(t) (en función del tiempo) donde x es la variable dependiente y t la independiente.

Por ejemplo, para un objeto que se desplaza a 3 m/s, una ecuación horaria será:

x(t) = x(t) . t s

x(t) = 3 m . t s

Donde x(t) indica la posición del objeto, 3 metros/segundo la velocidad y t el tiempo. Al reemplazar t por un valor en segundos, si realizamos la cuenta el resultado nos indicará la posición de x para un cierto tiempo. Por ejemplo, cuando t = 3,5 seg.

(t) = 3m . 3,5ss

x(3,5s) =3m/s-.3,5.s=10,5m

Este tipo de movimiento se llama movimiento rectilíneo uniforme (MRU). Rectilíneo porque su dirección es siempre la misma, y uniforme porque

su rapidez no varía.Todo esto durante cierto intervalo de tiempo. Un ejemplo de este tipo de

movimiento es el que lleva a cabo un ascensor con velocidad constante.Al referirnos al MR y dado que la dirección y sentido del movimiento no

varían, el único dato necesario para describir la velocidad es la rapidez del movimiento. Por eso, en el caso del MRU o de cualquier movimiento rectilíneo, hablamos de rapidez o velocidad indistintamente.

Si bien en nuestro sistema de unidades, el SIMELA, la velocidad se expresa en m/s, podemos encontrarla expresada en otras, como por ejemplo en km/h.

¿Cómo podemos pasar de una a otra?Tomemos el ejemplo de una moto que se desplaza con una velocidad de

80km/h. En este caso deberemos realizar dos conversiones, de kilómetros a metros y de horas a segundos. Para esto emplearemos dos reglas de tres simple:

Movimiento con velocidad negativa

La gráfica v/t es una recta paralela al eje t

t (s)

v (m/s)


7FÍSICA

1km--------1000m

80km------- 80km . 1000m = 80000m 1km

Y 1h---------3600 s

Entonces nos resulta: 80000m = 22,22... m/s 3600s

Otro ejemplo: La velocidad del sonido en el aire en determinadas condiciones es de 360m/s. ¿Cuál será esta velocidad expresada en km/h?

¿Lo pueden resolver? Si no lo resolvieron, lo hacemos juntos. Procedemos en forma análoga al ejemplo anterior:

1m------1/1000km

360m--- 360 m . 1/1000km = 0,36km 1m

1s-------- 1/3600 h

Entonces: 0,36km = 1296km/h 1/3600h

Un concepto más....DesplazamientoEn la primera parte, al analizar los movimientos, vimos que existía una

diferencia entre rapidez y velocidad, así como también hay diferencia entre la distancia recorrida por un objeto y su desplazamiento.

La distancia recorrida es el largo de la trayectoria.El desplazamiento Δx ( se lee “delta equis”) es la diferencia de las

posiciones inicial y final.La característica principal que los diferencia es que si un objeto se mueve,

siempre recorre una distancia, pero puede ser que su desplazamiento sea cero.Por ejemplo, al dar una vuelta en un patio recorremos una distancia, pero

como nuestro punto de llegada es el mismo que el de partida, entonces nuestro desplazamiento será nulo porque nuestra posición inicial es la misma que la final.

Δx = v. t y entonces v = Δx y t = Δx t v

Cuando la velocidad instantánea varía entre un punto y otro, decimos que el movimiento está acelerado. Este tipo de movimiento lo seguiremos estudiando en la próxima clase.


FÍSICA

ACTIVIDAD 5»Resolver los siguientes ejercicios y problemas:1) ¿A cuántos m/s y cm/s equivale una velocidad de 131 km/h?2) Un automóvil recorre 98 km en 2 horas. Calcular cuántos kilómetros recorrerá en tres horas si mantiene la misma velocidad media.3) Se produce un disparo a 2,04 km de donde se encuentra un policía, ¿cuánto tarda el policía en oírlo si la velocidad del sonido en el aire es de 330 m/s?4)¿Cuánto tarda en llegar la luz del Sol a la Tierra si la velocidad de la luz es de 300.000 km/s y la distancia Tierra-Sol es de 150 millones de kilómetros?


4.2. Movimiento rectilíneo uniformemente variado

Movimiento rectilíneo uniformemente variado. Ecuaciones horarias de movimiento.

Cuando un objeto se mueve variando su velocidad, decimos que está acelerado. Un caso que resulta fácil de estudiar y que tiene muchas aplicaciones es el de los automóviles que varían su velocidad de modo proporcional al tiempo.

Por ejemplo, imagine un coche que aumenta su velocidad en 3 m/s cada segundo. En un cierto instante su velocidad valdrá 10 m/ s, un segundo más tarde valdrá 13 m/ s, un segundo más y valdrá 16 m/s;…..

Este auto tendrá una aceleración constante, porque Δv (variación de velocidad) es proporcional a Δt (variación de tiempo, o cuánto tiempo transcurrió entre los sucesos) y valdrá 3m/s2 ya que la velocidad varía 3m/s en cada segundo. En este ejemplo la aceleración se calcula:

a = Δv Δt

(La variación de velocidad es la diferencia entre velocidad final vf e inicial vi). También podremos obtener las velocidades:

vf = vi +a.t y vi = vf – a.t

O el tiempo transcurrido:

t = Δv a

Información adicionalCualquier movimiento que varíe su velocidad, ya sea en dirección o

en valor está acelerado. Está acelerado el chico que da vueltas en una calesita (por más que la calesita gire siempre a la misma velocidad).

También está acelerado el corredor que se detiene al cruzar la cinta de llegada. Al igual que el desplazamiento, la diferencia entre velocidad final e inicial

puede ser positiva, si aumenta la velocidad con el tiempo, o, negativa en caso contrario.

La palabra acelerado se usa en el lenguaje cotidiano para referimos a los movimientos que aumentan su velocidad. Cuando la velocidad disminuye decimos que frena.


9FÍSICA

Sin embargo, en física tanto uno como el otro se llaman acelerado porque varía la velocidad.

Si el movimiento se realiza sobre una trayectoria rectilínea hablamos de un movimiento rectilíneo uniformemente variado (MRUV).

Para calcular la posición en función del tiempo, es necesario usar la ecuación horaria de la posición en función del tiempo para un MRUV.

Cuando estudiamos el MRU, escribimos la ecuación del desplazamiento como x = v.t,

Como ahora la velocidad varía, tomaremos la vm (velocidad media) para escribir la ecuación.

Vm= vf +vi 2

Por lo que el desplazamiento lo obtendremos:

x =( vf + vi ). t 2

Pero si no conocemos la velocidad final, reemplazaremos en la ecuación por:

vf = vi + at Por lo que nos queda:

x = ((vi + at)+vi) t2

Y operando:

x = 2 vi t + a t² 2 2

Nos queda que el desplazamiento es:

x= vi t + ½ a t²

Si entre los datos que tenemos, no figura el tiempo t, pero sí las velocidades, reemplazando convenientemente, obtendremos:

X = vf² – vi² 2 a

Existen múltiples ejemplos cotidianos de MRUV.

Los trenes cuando llegan a una estación frenan con aceleración constante, lo mismo hacen cuando arrancan.


FÍSICA

Los ascensores combinan MRUV con MRU.Cuando el ascensor comienza a subir, parte de

velocidad cero hasta alcanzar la velocidad de subida (esta velocidad depende de cada ascensor, pero una vez alcanzada se mantiene constante), por último al llegar al piso buscado, acelera (frena) hasta detenerse.

ACTIVIDAD 6

ACTIVIDAD 7

»

»

Tal como hemos visto para el MRU, también se pueden graficar estos movimientos.Busquen en el siguiente sitio gráficos que representen MRUVhttp://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/cinematica/rectilineo/rectilineo.htmLuego comparenlo con los de MRU utilizando el siguiente simuladorhttp://www.walter-fendt.de/html5/phes/acceleration_es.htm

1) Observar los diferentes gráficos que presenta para el mismo movimiento.2) Cambiar algunas condiciones, como por ejemplo la aceleración y vuelver a observar las diferencias que se producen en los gráficos.3) Registrar lo observado.

Utilizando lo aprendido resuelver los siguientes ejercicios y problemas:1) Un auto parte del reposo y en el primer segundo recorre 25 cm., si cumple su trayectoria con MRUV, se desea saber:a. ¿Qué velocidad posee a los 7 segundos?b. ¿Qué espacio recorrió en ese tiempo?c. ¿Qué espacio recorrió en 2 minutos?2) Cambiar algunas condiciones, como por ejemplo la aceleración y vuelver a observar las diferencias que se producen en los gráficos.a. ¿Cuál es la velocidad máxima alcanzada?b. ¿Cuál es la aceleración negativa? c. ¿Cuál es la distancia total recorrida por la nave?

4.3. Los movimientos y la acción de la gravedad

La caída libre

Podemos percibir que muchos objetos pesados (piedras, esferas de metal) al caer, realizan un movimiento casi rectilíneo uniforme por acción de la aceleración de la gravedad: g.

Decimos objetos pesados porque las hojas de los árboles, las hojas de papel, etc. no caen con MRUV ya que para ellos la resistencia del aire resulta importante.

Fue Galileo Galilei quien a mediados del siglo XVII postuló que todos los objetos caían con la misma aceleración, si se podía despreciar el rozamiento del aire.

Galileo estableció que el movimiento de caída era de aceleración constante.


Obligatoria


11FÍSICA

Podemos aprovechar las leyes de la caída libre (h= ½ g t²) para medir el tiempo que tarda una persona en reaccionar frente a un estímulo.Materiales necesarios: sólo una regla graduada de al menos 30 cm.Procedimiento: Se necesitan dos personas. Una sostiene la regla con el cero hacia abajo. La otra coloca sus dedos pulgar e índice a la altura del cero de la escala, en actitud de atraparla, pero sin hacer contacto con la regla. Cuando vean que la regla cae deben atraparla. El lugar de la escala en el que consiguieron atraparla (el desplazamiento de caída de la regla) dará idea de su velocidad de reacción. Se podrá repetir la experiencia un par de veces más, para comprobar que no hay mucha variación en el valor medido.Cuestionario:a. ¿Cómo se calcula el tiempo de reacción de la persona, una vez que hizo la experiencia?b. ¿Por qué no se obtiene siempre el mismo valor al repetir la experiencia con la misma persona?

Basándose en los resultados de esta experiencia, resuelvan el siguiente problema: Una persona conduce un auto a 120 km/h. De pronto observa que se cruza un animal en su camino ¿qué distancia recorrería, aproximadamente el vehículo desde que lo observa hasta que comienza a frenar? (Ese pequeño intervalo de tiempo puede considerarlo como un MRU).Para tener en cuenta:Como las personas tenemos un tiempo de reacción, cuando viajamos en auto por una ruta debemos dejar siempre una distancia importante entre cada coche para que, ante un imprevisto, podamos frenar sin chocar contra el auto de adelante.Según la velocidad, esta distancia puede variar.

ACTIVIDAD 8»

Luego dio un paso más adelante y estableció que esa aceleración es la misma para todos los objetos independientemente de su peso: una moneda tardará lo mismo que un ladrillo en llegar al piso si se los suelta desde la misma altura.

¡Hagan la prueba !Esta aceleración se conoce como aceleración de la gravedad y su valor

determinado por el mismo Galileo es de 9,81 m/s² y se usa la letra g para nombrarla (para la resolución de problemas aproximaremos esta cantidad a 9,8m/s²).

La caída partiendo del reposo se llama caída libre. Nosotros consideraremos que en estos movimientos, el rozamiento con el aire resulta despreciable, por ejemplo por la forma de los objetos, ya que según su forma, a igual peso, otro cuerpo, tendrá un enorme rozamiento con el aire y su caída no será con aceleración g. Un ejemplo de lo anterior sería una gran piedra y un paracaídas de igual peso cayendo abierto.

El movimiento de caída libre tiene aceleración constante (la aceleración de la gravedad) y podemos decir que es un caso particular de un MRUV donde la Vi= 0 y al desplazamiento x lo denomina altura con la letra h. Entonces:

x= vi t + ½ a t² en este caso vi = 0h= ½ g t²

t =vf = vi +a.t en este caso vi = 0 y a = g

vf = g.t

También, reemplazando podemos obtenervf = o vf² = 2hg

MEDICIÓN DEL TIEMPO DE REACCIÓN DE UNA PERSONAVamos a tratar este tema a través de la resolución de una actividad.


FÍSICA

Aplicando lo aprendido resuelvan los siguientes ejercicios y problemas: 1) Un chico lanza una piedra verticalmente hacia arriba con una v0 = 25 m/s. Averigue el valor de la altura máxima alcanzada.2) Se lanza verticalmente hacia arriba una pelota de tenis con una velocidad inicial de 20 m/s.a. ¿Qué velocidad tendrá la pelota al cabo de 2 segundos?b. ¿Qué espacio habrá recorrido en ese tiempo?c. ¿Qué tiempo transcurrió desde el inicio hasta el fin del movimiento?d. ¿Cuánto tiempo tardó en alcanzar la altura máxima?

»

Utilizando lo aprendido, resuelvan los siguientes ejercicios y problemas:1)¿Qué tiempo tardará en tocar tierra un cuerpo que cae libremente desde un avión que vuela a 1960 m. de altura?2) Si se dejara caer una pedra desde la terraza de un edificio y se observa que tarda 6 segundos en llegar al suelo, ¿a qué altura se encuentra esa terraza y con qué velocidad llega esa piedra al piso?

El tiro verticalSe llama así al movimiento que se produce, por ejemplo, al arrojar verticalmente hacia arriba un objeto.Como en el caso anterior, se encuentra bajo la acción de la aceleración de la gravedad g, por lo tanto, cuando el movimiento es ascendente, la aceleración es contraria al movimiento y lo frena. Como se imaginará cuando llega a su altura máxima su velocidad es igual a cero y cuando va descendiendo (caída libre), la gravedad lo acelera.Las ecuaciones que dan cuenta de este movimiento son: vf = vi – gtRecuerden que la aceleración tiene signo contrario a la velocidad, ya que esta es ascendente.Como en la altura máxima la vf = 0 , 0 = vi – gt por lo que nos queda vi = g tAhora vamos a determinar cómo se averigua la altura (h)x= vi t + ½ a t2, y como g es contraria al movimiento: h =vi t - ½ g t2Para averiguar el tiempo en alcanzar la altura máxima:t = sabemos que en MRUV: vf² = vi² +2 a xReemplazando nos queda: vf² = vi² – 2gh ya que la gravedad es contraria al movimiento.En la altura máxima vf = 0, entonces, 0 = vi² – 2gh , luego vi² = 2 g h max,y la h max = vi²/2g

ACTIVIDAD 9

ACTIVIDAD 10

»

¿Quedó alguna duda? ¿Alguna actividad que no sé cómo resolverla? Los espera el tutor en el Campus Virtual o en el encuentro presencialpara acompañarlos y ayudarlos.



13FÍSICA

Apunte de clase: Los principios de la dinámica. Masa peso y gravedad. Trabajo y energía

1. Principios de Newton

Introducción

Isaac Newton (1642-1727), es considerado por los historiadores como un verdadero revolucionario en lo que se refriere a las ciencias y en particular a las ciencias naturales. Es así que se habla de la revolución newtoniana. Sus concepciones científicas son válidas tanto para los cuerpos celestes, como para los habituales objetos y seres que poblamos la tierra. De este modo logró una visión global del universo.

Con una serie de principios muy sencillos pudo sintetizar y explicar entre otras cosas los fundamentos de la dinámica clásica. Pero:

¿Qué es la dinámica?

La dinámica es la rama de la física que estudia los cuerpos en movimiento y las fuerzas que intervienen.

Recordemos brevemente (ya que Newton la menciona permanentemente), a que llamamos aceleración.

ACELERACIÓN:

Es una cantidad que nos dice qué tan rápido está aumentando o disminuyendo la velocidad de un cuerpo.

Digamos que si un camión tiene una aceleración de 10 m/s2, eso querrá decir que su velocidad aumenta en 10 m /s por cada segundo que pasa.

Es decir, si al principio su velocidad es cero, después de un segundo será de 10 m/s, después de 2 seg. será de 20 m/s, etc.

1. 1. Primer principio de Newton

El principio de inercia

Un cuerpo permanecerá en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, hasta que una fuerza actúe sobre él.

UNIDAD 2


FÍSICA

El cinturón de seguridad justamente evita, cuando un vehículo choca o frena de golpe, que nuestro cuerpo al querer mantener el movimiento que traía, sea despedido hacia delante.

Un ejemplo contrario se produce cuando el cuerpo tiende a quedarse quieto cuando un vehículo arranca bruscamente.

1. 2. Segundo principio de Newton

El principio de masa

El segundo principio de Newton se encarga de cuantificar el concepto de fuerza. La resultante del sistema de fuerzas aplicada sobre un cuerpo es proporcional a la aceleración que adquiere. La constante de proporcionalidad es la masa del

cuerpo, de manera que podemos expresar la siguiente relación:

ΣF = m a m= ΣF/a

Dijimos anteriormente que, cuando una fuerza actúa sobre un cuerpo, cambia su velocidad en intensidad o dirección, esto significa que el cuerpo adquiere aceleración.

La fuerza y la aceleración están sin duda relacionadas. Esta relación, hallada por Newton es:

Σ F aplicadas = m. a

Donde Σ F aplicadas = m. a simboliza a la suma o resultante de todas las fuerzas aplicadas sobre el cuerpo, m es la masa de dicho cuerpo.

La ecuación anterior, contiene la siguiente información:● La fuerza resultante y la aceleración tienen la

misma dirección y sentido.● Si la suma de las fuerzas aplicadas es cero,

entonces la aceleración es cero.● Lo que significa que el cuerpo está en reposo, no

se mueve, o que se mueve con velocidad constante.● Si la fuerza aplicada aumenta, la aceleración

aumenta proporcionalmente.● Si se aplica la misma fuerza a dos cuerpos,

uno de gran masa y otro de masa menor, el primero adquirirá una pequeña aceleración y el segundo, una aceleración mayor.

La aceleración es inversamente proporcional a la masa.


15FÍSICA

Cuando sobre un cuerpo existe una única fuerza, la expresión del segundo principio se reduce a:

F = m . a

Algunos ejemplos aclaratorios del segundo principio de Newton:Ejemplo 1:

Se empuja un ladrillo con una fuerza de 1,2 N y adquiere una aceleración de 3 m/s², ¿cuál es la masa del ladrillo?

Datos:F = 1,2 Na = 3 m/s2m = ?

Un camión de 3000 kg de masa, se desplaza con una velocidad de 100 km/h, y se detiene después de 10 segundos de “clavar” los frenos. ¿Cuánto vale la fuerza total de rozamiento que hace posible que se detenga?

Ejemplo 2

Mientras se detiene el camión la única fuerza que está sometido, es la de rozamiento (que son varias – el viento contra el camión, el caucho contra el pavimento, etc.), pero hablamos de la resultante de todas estas fuerzas de rozamiento).

Según el segundo principio: Froz = m . a

Como el camión frena desacelerando uniformemente, podemos calcular esta aceleración:

esto es a =

Y la fuerza de rozamiento será: F = 3000 kg . (-2,77 m/seg²) = - 8310N

Ejemplo 3Un elevador que sube acelerando a razón de 0,5 m/s² lleva, apoyada en el

piso, una caja que pesa 200 N:¿Qué fuerzas actúan sobre la caja?¿Cuánto valen cada una?Para resolver este tipo de problemas, conviene realizar un diagrama de

fuerzas, esto es:


FÍSICA

Aquí visualizamos las fuerzas que están actuando sobre el cuerpo: estas son: el peso P (la fuerza con que la tierra lo atrae) y la fuerza de contacto que el piso del ascensor ejerce sobre el cuerpo F.

De acuerdo con la ecuación de Newton y considerando positivas a todas las fuerzas que acompañan al movimiento, en este caso hacia arriba:

F – P = m . aDespejando: F = m . a + P

Para calcularlo debemos conocer la masa del cuerpo, su peso y la aceleración:

P = 200 Na = 0,5 m/s²

Sustituyendo estos valores, tenemos:

F = 20,4 kg . 0,5 m/s² + 200 N = 210, 2 N

1. 3. Tercer principio de Newton

El principio de interacción o principio de acción y reacción

Cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre otro (acción), este último ejerce una fuerza de sentido contrario pero de igual magnitud sobre el

primero (reacción).

Este principio se cumple cuando dos cuerpos interactúan entre sí.Existen algunas limitaciones para velocidades muy altas o para grandes

distancias, pero para fenómenos ordinarios o cotidianos como los que nos importan a nosotros, se lo puede utilizar perfectamente.

Ejemplos:

El peso de un cuerpo (P) es la fuerza con la que la tierra lo atrae. Pero, a su vez, la tierra es atraída por el cuerpo con una fuerza (P) de igual intensidad pero de sentido contrario.

Las ruedas del coche empujan al suelo con una fuerza (F) y el vehículo recibe del suelo una fuerza (F) de igual intensidad pero de sentido contrario, que le permite avanzar hacia adelante.


17FÍSICA

Ejemplo de aplicación:Un caballo tira de un carro que está detenido y lo pone en movimiento.Los cuerpos involucrados en las interacciones son: el carro, el caballo y el

suelo. Las fuerzas que representan estas interacciones son:

T: Fuerza con que el caballo tira del carro y con la que el carro tira del caballo.

R: Fuerza con la que el caballo empuja al suelo hacia atrás, y por lo tanto, con la que el suelo empuja al caballo hacia delante.

F: Fuerza análoga a R, que ejerce el carro con el suelo y viceversa.

Aparecen dos fuerzas sobre el caballo, dos sobre el carro y dos sobre el suelo: La suma de las fuerzas sobre cada cuerpo determina su aceleración, de acuerdo con el segundo principio de newton, esto es:

Σ F aplicadas = m. a

2. Relación entre peso, masa y gravedad

Todo cae; las hojas de los árboles, un ladrillo, un lápiz y nos parece obvio. Pero fue Isaac Newton, allá por el siglo XVII que, probablemente observando cómo caía un objeto, propuso por primera vez una explicación para el fenómeno de la caída de los cuerpos, la gravedad.

La gravedad es esa fuerza de atracción que se ejerce entre todos los objetos, tanto los de la Tierra como los del universo, y que explica incluso las formas que adoptan las galaxias.

Todos los objetos tiran unos de otros de modo que sólo intervienen sus masas y sus distancias (no necesitan estar en contacto).

Newton enunció la ley de gravitación universal según la cual todos los objetos materiales del Universo se atraen mutuamente mediante una fuerza a distancia llamada ¨gravitatoria¨

● La masa, frecuentemente definida de modo incompleto, como la cantidad de materia contenida en un cuerpo, se relaciona con la fuerza que se ejerce sobre un cuerpo y la aceleración (cambio en la velocidad) que adquiere.

● Peso y masa: la masa permanece, sin importar la cantidad de fuerza que se le imponga. Esto nos permite diferenciar la masa del peso, ya que el peso depende tanto de la cantidad de masa como de la gravedad. Esto significa que, aunque una persona pese menos en la Luna (ya que tiene menor gravedad que la Tierra), su masa continúa siendo la misma.


FÍSICA

Esta ley se cumple tanto para los cuerpos más lejanos del universo como para los objetos y seres que habitan la Tierra. De no ser así, los planetas y demás cuerpos celestes no orbitarían y se moverían en forma rectilínea.

2. 1. Fuerza de rozamiento

¿Cuántas veces le habrá pasado de querer mover un objeto y no poder hacerlo hasta ubicarlo sobre un carrito con rueditas?

Esto ocurre debido al rozamiento del material contra el suelo.¿Pero… qué es el rozamiento?Cuando deslizamos un cuerpo sobre una superficie aparece una fuerza

de contacto que se opone a este movimiento, denominada fuerza de rozamiento. Lo mismo ocurre en otras circunstancias, por ejemplo con el aire.

Las fuerzas de rozamiento o de fricción se dividen en dos tipos, las estáticas y las dinámicas.

La fuerza de rozamiento estática determina la fuerza mínima necesaria para poner en movimiento un cuerpo. Si no hubiera rozamiento, una fuerza muy pequeña sobre un cuerpo apoyado en el piso ya pondría a éste en movimiento. Sin embargo existe un valor mínimo de fuerza a aplicar para que esto ocurra.

Existe un valor de fuerza de rozamiento estático máximo a partir del cual cualquier aumento en la fuerza aplicada pone en movimiento al cuerpo.

Se denomina fuerza de rozamiento estático máxima y depende de la normal (si se encuentra en un plano horizontal coincide con el peso) y de un número denominado coeficiente de rozamiento estático (μe).

Fre = - FFre max = μe NUna vez que el cuerpo comienza a moverse, igualmente hay una fuerza

que se opone al movimiento, llamada fuerza de rozamiento dinámico (Fr). La misma ya no depende de la fuerza que se hace para mover al cuerpo sino exclusivamente de la normal y de otro número llamado coeficiente de rozamiento dinámico (μd).

Fr = μd N

Algo más de información:● La fuerza de rozamiento se opone al movimiento de un bloque que

desliza sobre un plano.● La fuerza de rozamiento es proporcional a la fuerza normal (perpendicular)

que ejerce el plano sobre el bloque.● La fuerza de rozamiento no depende del área aparente de contacto. Sí

de qué tipo de superficies entran en contacto.


19FÍSICA

A) Responder las siguientes preguntas:1) ¿Por qué la distancia de frenado de un camión es menor que la de un tren que va a la misma velocidad?2) Comparar la fuerza que se necesita para elevar un objeto de masa “m” en la Luna y en la Tierra.3) Cuando un automóvil golpea a otro por atrás ¿una persona que vaya en el de adelante puede desnucarse? ¿Por qué?4) Si la aceleración de un cuerpo es cero ¿no actúan fuerzas sobre él?5) ¿Puede un cuerpo moverse sin que ninguna fuerza actúe sobre él?

B) Tildar, en los casos en que corresponda, cuáles de los siguientes enunciados que ejemplifican el principio de acción y reacción:● Un chico en patines se pone en movimiento cuando empuja una pared.● Cuando un auto frena, sus ocupantes tienden a seguir moviéndose hacia adelante.● Un tren que está frenando posee aceleración negativa.● Un libro apoyado sobre una mesa recibe una fuerza que compensa su propio peso.● Un cohete avanza porque expulsa gases hacia atrás a gran velocidad.

C) En cada uno de los siguientes casos averiguar: (tener en cuenta que no hay rozamiento).1) La fuerza resultante sobre el cuerpo, en módulo dirección y sentido. Graficar.2) La aceleración que adquiere el cuerpo sabiendo que su masa es de 15 kg.

ACTIVIDAD 11»

Algunas conversiones más utilizadas:

1kgf = 9,8 N y 1N = 0,102kgf1N = 100.000 dina y 1 dina = 0,00001 N1N = 105 dina y 1dina = 10-5 N

2.2. Trabajo

El concepto de trabajo mecánico en la vida diaria es muy intuitivo. Cuando una persona sube un objeto pesado desde la calle hasta un edificio, efectúa un trabajo.

En el lenguaje corriente, la realización de un trabajo se relaciona con el consumo de energía.

Así, los conceptos de trabajo y energía aparecen identificados no sólo en las teorías físicas, sino también en el lenguaje coloquial.

Llamamos trabajo al producto de una fuerza por la distancia que recorre, por el coseno del ángulo que forman ambas magnitudes vectoriales entre sí.



FÍSICA

El trabajo se mide en N. m = Joule

Donde α es el ángulo que forman la dirección de la fuerza y el desplazamiento.

Así, el trabajo es una magnitud escalar, que alcanza su valor máximo cuando la fuerza se aplica en la dirección y el sentido del movimiento.

De lo anterior se deduce que las fuerzas aplicadas perpendicularmente a la dirección del movimiento producen un trabajo nulo.

Entonces, el trabajo para mover un cuerpo depende de la fuerza aplicada sobre el objeto y de la distancia recorrida.

En la figura, se obtiene el mismo trabajo empujando el cuerpo oblicuamente por la plataforma que con ayuda de una polea.

Veamos algunos ejemplos:1. Indicar el trabajo necesario para deslizar un cuerpo a 2 m de su posición

inicial mediante una fuerza de 10 N, la cual forma un ángulo de 0° respecto a su desplazamiento.

L = F . dL = 10 N . 2 mL = 20 J2. ¿Qué trabajo realiza un hombre para elevar una bolsa de 70 kgf, sobre

un andamio a una altura de 2,5 m? Expresalo en:a) kgf.mb) Joulec) kW.h

a) L = F × d L = 70 kgf × 2,5 m L = 175 kgf.mb) L = 175 kgf.m × 9,807 J/kgf.m L = 1716,225 Jc) L = 175 kgf.m × 9,807 J/3.600.000 kgf.m L = 0,000477 kW.h

1) Indicar el trabajo mecánico que realiza una persona al llevar un carrito si al realizar una fuerza de 15 N recorre 3 m, si la fuerza aplicada, forma con la horizontal ángulos de: 0º ; 60º ; 90º ; 2) Indicar la fuerza aplicada sobre un cuerpo que, generando un trabajo mecánico de 5000 J, recorrió 250 m.

ACTIVIDAD 12» Obligatoria


21FÍSICA

2. 3. ¿Y la potencia?

Cuando hablamos de trabajo, no hemos tenido en cuenta el tiempo que se emplea en realizarlo.Por ejemplo, se efectúa el mismo trabajo al subir un objeto por una escalera caminando o corriendo.Pero sin duda, al subir corriendo nos cansamos más. Para comprender esto, necesitamos hablar de una medida acerca de “que rápido” se hace el trabajo, esta es la ”potencia”.

En física, potencia es la cantidad de trabajo efectuado por unidad de tiempo.

P=W en unidades, P = Joule/segundo = Watt T

Presentamos algunos ejemplos:Una grúa levanta 2000 kg a 15 m del suelo en 10 s, ¿qué potencia ha

empleado para esto?Datos:m = 2000 kg h = 15 m t = 10 sP= w/tP= F.d /tP=m.g.d/tP = 2000 kg.(10 m/s ²).15 m/10 sP = 30000 W

1) Calcular la potencia realizada para levantar hasta 12m de altura un cuerpo de 15kgf, en 12s partiendo del reposo.2) Un operario levanta un bulto de 2,5kg a 0,80 m del suelo y camina con el 185m hacia adelante. Indicar el trabajo que realiza el brazo, al levantar el bulto y al desplazarse.

ACTIVIDAD 13»

3. Energía

La energía y sus transformaciones

La energía es uno de los conceptos más importantes de la ciencia. Hoy en día lo encontramos arraigado también en muchos aspectos de la sociedad.

Todos nosotros estamos muy familiarizados con la energía, la cual nos llega desde el Sol en forma de radiaciones electromagnéticas, entre las cuales encontramos la luz visible. La encontramos en nuestros alimentos y sustenta la vida. Hay energía en las personas, los lugares y las cosas, pero únicamente observamos sus efectos cuando algo está sucediendo:

Sólo cuando se transfiere energía de un lugar a otro o cuando se convierte de una forma en otra.




FÍSICA

La energía potencial es aquella que se encuentra almacenada en espera de ser utilizada. Se llama así porque en ese estado tiene el ¨potencial¨ para realizar trabajo. Por ejemplo, un resorte estirado o comprimido tiene potencial para hacer trabajo, cuando se le da cuerda a un juguete se está almacenando energía. También la energía química de los combustibles es energía potencial. Cualquier sustancia capaz de realizar trabajo por medio de una reacción química posee

Tratemos de encontrar ejemplos de cómo la utilizamos:

● La energía hidráulica puede utilizarse para hacer trabajar a una usina eléctrica. ● La energía eólica puede utilizarse para hacer trabajar a un molino. ● La energía eléctrica puede utilizarse para hacer trabajar a un electrodoméstico. Como vemos, la palabra trabajo está íntimamente relacionada con la energía.

3. 1. Energía potencial y cinética

energía potencial. Hay energía potencial en los combustibles fósiles (la nafta por ejemplo), en las pilas y en los alimentos que ingerimos.

Si queremos elevar un objeto a una determinada altura, deberemos efectuar un trabajo en contra de la gravedad, el objeto en esa posición adquirió energía potencial gravitatoria.

Por ejemplo:El agua que se encuentra contenida por el murallón de una represa posee

energía potencial gravitatoria (EPG).EPG= Peso x alturaEPG= P . hEPG = m. g. hSi se mantiene a una pelota a una cierta distancia del suelo, el sistema que

han formado la pelota y la Tierra tiene una determinada energía potencial; y si a esa pelota se le aplica una fuerza y se la eleva a una altura mayor, la energía potencial del sistema también aumenta.

Cuando se patea una pelota, se está realizando trabajo sobre ella para darle velocidad. La pelota en movimiento puede entonces golpear algún objeto y moverlo con lo cual hace trabajo sobre él.

La energía cinética de un objeto en movimiento es igual al trabajo necesario para darle esa velocidad, o el trabajo que el objeto puede realizar cuando se lo detiene.

Para que un cuerpo adquiera energía cinética (de movimiento), es decir, para ponerlo en movimiento, es necesario aplicarle una fuerza. Cuanto mayor sea el tiempo que esté actuando dicha fuerza, mayor será la velocidad del cuerpo y, por lo tanto, su energía cinética será también mayor.

Otro factor que influye en la energía cinética es la masa del cuerpo.Por ejemplo, no producirá el mismo impacto una bolita de vidrio de 5 gramos

de masa avanza hacia nosotros a una velocidad de 2km / h, que si con esa misma velocidad avanza hacia nosotros un camión.

Este tipo de energía se expresa como: Ec = 1 / 2 . m . v²


23FÍSICA

Les proponemos que utilicen la siguiente simulación:https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-skate-park

Una vez descargada, realicen las siguientes acciones:● Marquen el gráfico de barras para observar como varían las energías en el movimiento.● Cambien la posición del patinador, observar y describir lo que ocurre.● Luego cambie la localización, observar las diferencias y justificarlas● Compartir la actividad en el foro.

ACTIVIDAD 14»

3. 2. Algo más acerca de las energías

La energía térmica (movimiento aleatorio de las moléculas), la energía acústica (moléculas que vibran rítmicamente), la energía radiante (cuyo origen es el movimiento de los electrones dentro de los átomos) son algunas manifestaciones de la energía cinética. Los diversos tipos de energía tienen mucho en común.

En el siguiente ejemplo vamos a comparar dos tipos de energía: cinética y potencial gravitatoria.

Cuando una piedra rueda hacia abajo está realizando un movimiento; se dice que tiene energía cinética.

Un cuerpo a una determinada altura posee energía potencial gravitatoria. Ella se manifestará al dejarlo caer o rodar por una pendiente.

Le presentamos a continuación un cuadro comparativo de distintos tipos de energías.


Energía calórica o térmica

Energía hidráulica

Energía lumínica

Energía geotérmica

Energía solar

Energía radiante

Energía eléctrica

Energía eólica

Energía nuclear

Es la energía que se manifiesta al poner en contacto dos cuerpos que se encuentran a distintas temperaturas. El calor fluye desde el de mayor hacia el de menor temperatura.

Se refiere a la energía producida por agua en movimiento o embalsada que se hace pasar por conductos para impulsar turbinas.

Es la energía radiante que se manifiesta en forma de luz. Puede provenir de fuentes naturales o artificiales.

Se deriva del calor natural contenido en las formaciones rocosas que se encuentran debajo de la superficie terrestre.

Es la energía radiante que proviene del Sol.

Es la energía asociada a la emisión de radiación electromagnética.

Es la energía asociada al movimiento de los electrones que circulan por un conductor.

Es la energía asociada al movimiento de las grandes masas de aire (viento).

Se genera por la fisión de átomos pesados (torio, plutonio o uranio).


FÍSICA

1) Utilizando distintos medios investiguen acerca de las transformaciones de la energía.2) Lean atentamente el siguiente texto y respondan a las preguntas:

ACTIVIDAD 15»

3. 3. La energía mecánica

Los molinos de viento: una nueva y vieja historia La Patagonia tiene petróleo, demasiados desiertos y unas pocas poblaciones. Pero también tiene vientos muy fuertes que soplan todo el año. Sería posible ponerlos al servicio de la zona. Con la construcción de turbinas eólicas se logra transformar la energía del viento en energía eléctrica generada localmente, sin mayores gastos de interconexión con las grandes redes de distribución. El molino de viento constituye la tecnología más antigua de la humanidad en materia de producción de energía mecánica. Los resultados básicos de un molino son tres: a) un diseño adecuado al tipo de energía que se quiere obtener como producto (no es lo mismo moler granos que generar electricidad); b) la capacidad de “exprimir” el viento al máximo y extraer de él mismo toda la energía posible; c) algún mecanismo de autoprotección que defienda al aparato cuando el viento se “pone bravo”.

Para generar energía eléctrica se requiere de un tipo muy especial de molinos, las turbinas eólicas. Ante todo, se necesitan aspas finas de giro muy rápido: hay que poner en marcha un generador electromotor a unas 1800 vueltas por minuto. Esta imagen es muy diferente de la de un molino tradicional con gruesas aspas, diseñado para moler grano o mover agua.● Identificar todas las transformaciones energéticas que se mencionan en el texto.● ¿Cuál sería el objetivo de este tipo de tecnología?● ¿Para qué se utilizaban antiguamente los molinos?

De todas las transformaciones o cambios que sufre la materia, por lo general, los que más interesan en este capítulo de la física son los asociados a la posición y/o a la velocidad. En mecánica, se denomina energía mecánica a la suma de las energías cinética y potencial (de los diversos tipos).

Em = Ec + EpEm = Ec + Ep

Tanto la energía potencial como la energía cinética y la energía mecánica tienen la misma unidad que es el joule.

Importante:Si no hay rozamiento la energía mecánica siempre se conserva. Si hay

rozamiento, se transformará en otra forma de energía, por ejemplo calor.Si un cuerpo cae desde una altura se producirá una conversión de energía

potencial en cinética. La “pérdida” de cualquiera de las energías queda compensada con la ganancia de la otra, por eso siempre la suma de las energías potencial y cinética en un punto será igual a la de otro punto.

Em = Ec + EpEm = cte



25FÍSICA

En esta actividad diríjanse a la siguiente dirección:https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/energy-forms-and-changesUtilicen la solapa sistemas de energía. Una vez ahí, vayan utilizando las distintas opciones de transformaciones de la energía. Luego escojan una transformación y descríbanla. Luego relacionen esa transformación a una conocida por ustedes y/o de lo cotidiano.

1) Calcular la energía mecánica del carrito en el punto A.

ACTIVIDAD 16

ACTIVIDAD 17

»

»

2) Se lanza hacia arriba desde el suelo un cuerpo de 10kg y se observa que alcanza una altura máxima de 2ma) ¿Con qué energía se lanzó?b) ¿Cuánto vale su energía cinética cuando se encuentra a 1 m de altura?c) ¿Cuánto vale dicha magnitud al llegar de nuevo al suelo?3) Se lanza un bloque hacia arriba por un plano inclinado y, después de recorrer cierta distancia, se detiene y se desliza hace abajo la misma distancia. ¿Qué relación existe entre los trabajos realizados por la gravedad al ascender y descender el bloque?



Obligatoria


FÍSICA

Apunte de clase: Los materiales y la energía: el calor

UNIDAD 3

1. Introducción

Es un hecho casi cotidiano que, cuando dos objetos que tienen diferentes temperaturas, se ponen en contacto térmico uno con otro, la temperatura del objeto más “caliente” disminuye y la del objeto más “frío” aumenta, cabe destacar que los conceptos de “frio” y “caliente” son términos del uso cotidiano que en general en física tratamos de evitar. Por ejemplo, cuando le ponemos algunos hielos a una bebida, si se dejan ambos en contacto por algún tiempo, terminan por alcanzar una

temperatura de equilibrio común que estará entre las dos temperaturas iniciales. Cuando se lleva a cabo un proceso de esta índole, decimos que se transfiere calor del objeto que estaba a mayor temperatura al objeto de menor temperatura.

¿Es lo mismo calor que temperatura?Todos sabemos que cuando calentamos

un objeto su temperatura aumenta. A menudo pensamos que calor y temperatura son lo mismo. Sin embargo no es así. El calor y la temperatura están relacionadas entre si, pero son conceptos diferentes.

2. Calor

Hasta el siglo XIX se explicaba el efecto del calor en la variación de la temperatura de un cuerpo por medio de un fluido invisible llamado calórico. Este se producía cuando algo se quemaba y, además, que podía pasar de un cuerpo a otro. La teoría del calórico afirmaba que una sustancia con mayor temperatura que otra, necesariamente, poseía mayor cantidad de calórico.


27FÍSICA

La convección sólo se produce en fluidos (líquidos o gases), ya que implica movimiento de volúmenes de fluido de regiones que están a una temperatura, a regiones que están a otra temperatura. El transporte de calor está inseparablemente ligado al movimiento del propio medio. Esto es lo que ocurre, por ejemplo, en el agua de una olla puesta al fuego, si esta tiene fideitos .

Para poder observarlo, sólo se necesitará una “viborita convectiva”.

En el siguiente sitio: los veremos moverse. Otro ejemplo es el del aire en derredor de una estufa.

Benjamin Thompson y James Prescott Joule establecieron que el trabajo podía convertirse en calor o en un incremento de la energía térmica determinando que: el calor, simplemente, era otra forma de la energía, (energía en tránsito). En consecuencia su unidad en nuestro sistema métrico es el Joule, aunque todavía, en muchos casos se sigue utilizando a la caloría como unidad.

Su equivalencia es: 0.25cal ---- 1JMuchos alimentos en la actualidad, especifican su contenido energético en

joules y calorías

2. 1. Propagación del calor

El calor puede ser transmitido de distintas formas: por conducción, por convección o por radiación.

● La conducción es el proceso que se produce por contacto térmico, debido al contacto directo entre las partículas individuales de los cuerpos que están a diferentes temperaturas, lo que produce que las partículas lleguen al equilibrio térmico.

Por ejemplo, una cuchara metálica en la taza de café.En este sitio podrá ver un ejemplo de conducción en diferentes materiales

en la cocina.


FÍSICA

ACTIVIDAD 18»

Armen un dispositivo como el de la figura de unos 8cm de diámetro aproximadamente, y pónganla por encima de la estufa, o con mucho cuidado, sobre el aire caliente de un encendedor prendido. El movimiento del papel es debido a las “corrientes convectivas”. En el aire el calor se propaga por convección.● La radiación térmica es el proceso por el cual el calor se transmite a través de ondas electromagnéticas. Es el caso de la energía que nos llega del Sol. Veamos algunos ejemplos:

“…Si estás dentro de una habitación y da el sol en los vidrios de una ventana, por ejemplo, notarás claramente cómo aumenta la temperatura interior. La radiación solar no es detenida por los vidrios. Sin embargo, la radiación proveniente de los objetos interiores calentados, como las plantas en un invernadero, es de tal característica que no atraviesa los vidrios. Queda así el calor “atrapado” en el interior del ambiente y allí se produce un aumento de la temperatura. Este efecto ocurre con la Tierra; las capas de la atmósfera actúan como los vidrios. La radiación solar atraviesa la atmósfera y calienta la Tierra. Esta emite radiación a su vez, que no logra atravesar la atmósfera, por lo que queda calor “atrapado”, produciéndose un aumento de la temperatura promedio de la Tierra.

(Fragmento adaptado de Bazo R. Tricárico H. Física 4 Ed. AZ).

En los invernaderos la energía solar, predominantemente visible, atraviesa sin dificultad de afuera hacia adentro los vidrios transparentes. El calor del interior, sin embargo, no logra atravesarlos en sentido inverso, por tratarse de una radiación invisible, de muy diferente característica. El dióxido de carbono que se emite a la atmósfera produce un efecto semejante al de los vidrios del invernadero.

2. 2. El efecto invernaderoEl efecto invernadero se origina porque la energía

que llega del Sol, está formada por ondas de frecuencias altas que traspasan la atmósfera con gran facilidad. La energía remitida hacia el exterior, desde la Tierra, al proceder de un cuerpo mucho más frío, está en forma de ondas de frecuencias

mas bajas, y es absorbida por los gases con efecto invernadero (GEI). Esta retención de la energía hace que la temperatura sea más alta, aunque hay que entender bien que, al final, en condiciones normales, es igual la cantidad



29FÍSICA

de energía que llega a la Tierra que la que esta emite. Si no fuera así, la temperatura de nuestro planeta habría ido aumentando continuamente, cosa que, por fortuna, no ha sucedido.

El efecto invernadero se está viendo acentuado por la emisión de ciertos gases (GEI) debido a la actividad humana, como el dióxido de carbono y el metano, que está produciendo un calentamiento en la Tierra. Hay un consenso prácticamente unánime en la comunidad científica sobre que este calentamiento se está produciendo por esta causa.

Este efecto tiene cierta similitud al calentamiento que se produce en un invernadero, aunque el proceso es diferente.

Conocemos una enorme variedad de materiales y objetos que desde hace mucho tiempo utilizamos para “aislar el calor” debido a la lenta propagación del calor en ellos.

Un ejemplo lo encontramos en los pulloveres que utilizamos en invierno, la lana no es un buen conductor, y el aire encerrado entre la lana tampoco lo es. De ese modo aísla a nuestro cuerpo (que se encuentra a mayor temperatura) del exterior, (que se encuentra a menor temperatura)

ACTIVIDAD 19»Enumerar ejemplos de su casa donde se produzcan estas formas de propagación.Algunas preguntas teniendo en cuenta lo anterior:1) ¿Cuál deberá ser la ubicación de una estufa? ¿Cerca del piso o del techo? ¿Por qué?2) ¿Y de un equipo de aire acondicionado? ¿Por qué?3) ¿Por qué los vidrios de algunos autos son más oscuros?

Para tener en cuenta:La convección siempre está acompañada de la conducción, debido al contacto directo entre partículas de distinta temperatura en un líquido o gas en movimiento.En el caso de la conducción, la temperatura de calentamiento depende del tipo de material, de la sección del cuerpo y del largo del cuerpo. Esto explica por qué algunos cuerpos se calientan más rápido que otros a pesar de tener exactamente la misma forma, y que se les entregue la misma cantidad de calor.

Obligatoria


FÍSICA

2. 3. TemperaturaEn términos muy generales y aproximados, se

puede decir que la temperatura es una magnitud proporcional a la energía cinética promedio que tienen las partículas, átomos o moléculas, que constituyen un cuerpo. Su principal forma de medición es por medio de termómetro.

Nuestro tacto detecta la temperatura, pero carece de la capacidad de medirla con rigor.

ACTIVIDAD 20»Introducir una mano en un recipiente frío y la otra en uno caliente pero que no queme, y luego las dos manos juntas en otro recipiente con agua templada.La primera mano la sentirán caliente y la otra fría.¿Por qué?

2. 4. Temperatura y energía cinética

La temperatura está asociada con los movimientos al azar de las moléculas de un material. En el caso más simple de un gas ideal, la temperatura es proporcional a la energía cinética promedio, debida al movimiento traslacional de las moléculas.

La temperatura es más complicada en los sólidos y en los líquidos, cuyas moléculas tienen menos libertad de movimientos y poseen energía potencial, pero sigue siendo cierto que la temperatura se relaciona normalmente con la energía cinética promedio del movimiento traslacional de las moléculas.

Existen diversas escalas para medir temperaturas. Nosotros utilizamos la Celcius.

Información adicional:Al hablar de radiación, nos hemos referido

principalmente al Sol.Le damos entonces algo más de

información:El Sol emite una enorme cantidad

de energía, pero a la Tierra sólo llega una muy pequeña proporción. Y esa propagación tiene lugar, en gran parte del trayecto de unos 150.000.000 de kilómetros, por el “espacio vacío” (en

él hay polvo interestelar y algunos objetos errantes). Por lo tanto no se propaga el calor por conducción (no hay suficiente materia para que ello ocurra), ni por convección (falta materia que se desplace).




31FÍSICA

¿Cómo se produce entonces este fenómeno?El Sol emite ondas electromagnéticas del mismo tipo que las ondas de

radio, microondas, ondas infrarrojas, luz visible, ondas ultravioletas, rayos X, rayos gamma, que transportan energía radiante que se propagan a través de un medio material y también en el vacío.

2. 5. Equilibrio térmico

Se dice que los cuerpos en contacto térmico se encuentran en equilibrio térmico cuando no existe flujo de calor de uno hacia el otro. Al poner en contacto dos sustancias, la agitación de las partículas de una se transmite, mediante choques, a las partículas de la otra, hasta que se igualen sus velocidades. Las partículas de la sustancia más caliente son más rápidas y poseen más energía. En

cada impacto ceden parte de la energía a las partículas más lentas, con las que entran en contacto. Las partículas de la sustancia que está a mayor temperatura se frenan un poco, pero al mismo tiempo hacen que las más lentas aceleren.

Finalmente las partículas de las sustancias alcanzan la misma velocidad media y por lo tanto la misma temperatura: se alcanza el “equilibrio térmico”.

Muchas veces hemos producido equilibrio térmico entre materiales en actividades de todos los días. El agregarle leche fría al café con leche para enfriarlo y así poder tomarlo es sólo un ejemplo de ello.

ACTIVIDAD 21»Propongan otros ejemplos de equilibrio térmico que conozcan.

Dijimos que la temperatura, se mide con un termómetro. Veamos entonces, que es un termómetro...

2. 6. Termómetro

Como sabemos, el termómetro es un instrumento que se usa para medir la temperatura. Su presentación más común es de vidrio, el cual contiene un tubo capilar interior comúnmente con mercurio.

El que se expande o se contrae debido a los cambios de temperatura.Para determinar la temperatura, el termómetro cuenta con una escala

debidamente graduada que la relaciona con el volumen que ocupa el mercurio en el tubo. Otro material muy usado en los termómetros que miden la temperatura en el hogar, suele ser el alcohol coloreado en azul o rojo.

Celsius llamó al punto fijo inferior 0 (cero). Luego dividió el tubo de vidrio en 100 partes iguales hasta llegar al punto fijo superior. Es decir al punto fijo superior lo llamó 100. Hoy en día a esta escala se llama escala Celsius y es una de las unidades de medición de la temperatura.



FÍSICA

En esta escala, el cero grados Celsius (0ºC), corresponde con el punto de congelación del agua y los cien grados corresponden con el punto de ebullición del agua, ambos a la presión de 1 atmósfera.

Algunas otras escalas:● Grado Réaumur (ºR)● Grado Kelvin (°K)● Grado Celsius (ºC)● Grado Fahrenheit (ºF)

2. 7. El termómetro clínico de mercurio

Este es el clásico termómetro que hemos comprado alguna vez en la farmacia, para tomarnos la temperatura y determinar si teníamos, o no, fiebre.

Es un termómetro de mercurio que tiene un estrechamiento del capilar cerca del bulbo o depósito. Cuando la temperatura sube, la dilatación de todo el mercurio del bulbo vence la resistencia opuesta por el estrechamiento, mientras que cuando la temperatura baja y la masa de mercurio se contrae, la columna se rompe por el estrechamiento y su extremo libre queda marcando la temperatura máxima, de ese modo es que sigue marcando para su lectura, al ser retirado. La escala tiene una división de 0,1 ºC y el alcance de la misma es de 35°Ca 42ºC.

Alrededor del año 1714 fue Daniel Gabriel Fahrenheit quién creó el termómetro de mercurio con bulbo, formado por un capilar de vidrio de diámetro uniforme comunicado por su extremo con una ampolla llena de mercurio.

Si tiene un termómetro de mercurio, obsérvelo en detalle para poder apreciar cada una de sus partes.

3. Un efecto de la acción del calor: la dilatación de los materiales

La dilatación se define como: el aumento de las dimensiones de un cuerpo cuando este absorbe calor.

Cuando un cuerpo “absorbe” calor, sus moléculas adquieren mayor energía cinética y ocupa mayor espacio; en consecuencia, el cuerpo aumenta sus dimensiones.

El espacio que se da entre las moléculas es conocido como coeficiente de dilatación y para cada material es diferente, y se mide en 1/°C

De los estados de la materia el sólido es el que se dilata menos en comparación con los fluidos, de los cuales el gas se dilata notablemente.

La dilatación se considera, de manera general, de tres tipos: lineal, superficial y cúbica.

Veamos cada una.


33FÍSICA

3. 1. Dilatación lineal

Es aquella en la que predomina la variación en una (1) dimensión de un cuerpo, es decir: el largo.

Algunos ejemplos de esto ocurren en los cables, en hilos, en rieles y en barras.

La dilatación lineal que experimenta un cuerpo cuando se calienta depende básicamente de tres factores, que son:

a) Longitud inicial L0b) Incremento de temperatura (t2 – t1)c) Coeficiente de dilatación α La relación matemática de estos tres factores establece que la longitud

final (Lf) es:Lf = L0 [1+ α .(t2 – t1)]

Le presentamos como información la siguiente tabla con algunos coeficientes de Dilatación Lineal (α):

MATERIAL

AceroAcero Níquel

AlpacaAluminioBronce

BismutoCadmio

CincCobreCuarzoEstaño

Esteatita

Hierro FundidoLatón

MolibdenoNíquel

OroPlata

PlatinoPlomo

PorcelanaTungsteno

Vidrio ComúnVidrio Pirex

0,0000120,00000150,000018

0,00002380,00001350,0000175

0,000030,00003

0,00001650,00000050,000023

0,0000085

0,000001050,00001850,00000520,000013

0,00001420,00001970,0000090,0000290,000004

0,00000450,000009

0,00000003

MATERIALCOEFICIENTE (1/°C) COEFICIENTE (1/°C)


FÍSICA

Realizaremos algunas actividades que les servirán como ejemplo:1) ¿En cuánto aumentará su longitud un alambre de cobre cuya longitud

inicial es de 100m, si la temperatura varía de -15 °C a 32 °C, si el coeficiente de dilatación del cobre es de 1,7x10-5 1/°C?

Para resolverlo solo se aplica la ecuación:Lf = L0 [1+ α .(t2 – t1)]

Lf = 100m(1+1,7x10-5 1/°C . 47°C)Lf= 100,0799m

2) Una varilla de aluminio de 1m de longitud incrementa su temperatura en 80°C, alcanzando una longitud final de 1,00184 m. ¿Cuál es el coeficiente de dilatación lineal del aluminio?

Aplicamos la ecuación: Lf = L0 [1+ α .(t2 – t1)]y despejamos el coeficiente: ((Lf/lo)-1)/tf-ti = α

α=((1,00184 m/ 1m)-1/ 80°C = 2,3 10-5 1/°C

3. 2. Dilatación superficial

Es aquella en la que predomina la variación en dos (2) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo y el ancho.

Esto lo podemos observar en algunas veredas y en calles de cemento, a las que se les debe hacer juntas de dilatación, por lo general en brea, para que no se rompan con el aumento de temperatura.

Ejercicio de aplicación:Una plancha de acero tiene dimensiones

4x6 m a 10ºC. Si se calienta a 68ºC. ¿Cuánto medirá su superficie?

Aplicamos la ecuación: Sf = S0.[1+β.(t2 – t1)]Sf = 24m2( 1+ 2. 0,000012 1/°C . 68°C)Sf = 24,039168m2

ACTIVIDAD 22»Dos ejercicios para resolver1) Se tiene un círculo de cobre de radio 1m con un orificio, en su centro, de radio 20 cm. ¿Cuál será la superficie del anillo que se forma si se calienta desde 0ºC a 50ºC?2) Un marco de ventana es de madera, de dimensiones 60x100 cm. En un día a 20ºC se instala un vidrio de los que más le afecta el calor. ¿Cuántos milímetros menos que las medidas del marco, por lado, deberá tener el vidrio? Si la oscilación térmica diaria puede ir de –2ºC a 40ºC. Consideraremos que el marco no es afectado por el calor.


35FÍSICA

3. 3. Dilatación volumétrica

Es aquella en la predomina la variación en tres (3) dimensiones de un cuerpo, es decir: el largo, el ancho y el alto.

Para poner en evidencia la dilatación cúbica de los cuerpos esféricos, se utiliza un aparato llamado anillo de S´Gravesande, el cual consta de una bola metálica que pasa, ajustadamente, por un anillo, también metálico, a temperatura ambiente.

Cuando la bola se calienta sufre un aumento de volumen, lo que impide que pase por el anillo, de ese modo se evidencia su dilatación.

El coeficiente de dilatación cúbica se puede definir como el aumento de volumen Celsius; matemáticamente se expresa:

V=V0 . [1+φ. (t2-t1)]En los sólidos se cumple la siguiente relación: φ = 3αLa siguiente tabla te muestra los coeficientes de dilatación volumétrica,

de algunos de los materiales líquidos más usuales:

Ejercicio:Una esfera de aluminio a temperatura de 18º C posee un volumen de 98

cm³, ¿en cuánto se incrementará su volumen si su temperatura se eleva hasta los 96º C?

El coeficiente de dilatación (φ) del aluminio es 7,5 x 10-5 1/ºCUtilizaremos la ecuación: Vf=V0 . [1+φ. (t2-t1)]Vf= 98cm³ (1+ 7,5 x 10-5 1/ºC . 78°C)VF= 98,5733cm3


Material

AguaAguarrás

Alcohol EtílicoBencina

GlicerinaMercurioPetróleoTolueno

0,00050,000182

0,0010,00108

0,000180,001

0,00110,001

0,0016

MaterialCoeficiente (1/°C) Coeficiente (1/°C)


FÍSICA

3. 4. El agua, un caso particular

La dilatación anómala del agua

A temperatura ambiente, el agua se dilata cuando la temperatura sube y se contrae cuando baja. Pero próximo al punto de congelación, a los 0 ºC ocurre lo contrario, lo cual es muy importante para la preservación de la vida.

Para comprender esta propiedad se supone que por efecto del calor externo, la masa sólida comienza a fundirse. En esta transformación, un número relativamente pequeño de moléculas adquiere energía cinética suficiente como para que se rompan sus enlaces. Estas moléculas se liberan de la red cristalina que comienza a desmoronarse y quedan ocupando los huecos hexagonales que forman canales, con lo cual comienza a aumentar la masa por unidad de volumen. En la medida en que crece la energía externa aumenta la densidad del agua líquida, porque se ocupan más espacios vacíos hasta llegar al máximo de 4°C.

Esta es la razón por la cual el hielo es menos denso que el agua y por lo tanto flota sobre ella.

Al mismo tiempo que el agua se calienta, se expande y, por lo tanto, disminuye su densidad.

En cuerpos de agua, como un lago, la capa de hielo que se forma, que es menos densa, no se sumerge y como queda sobre la superficie del cuerpo de agua forma una capa aislante que evita que el agua interior se congele. Si el hielo llegara al fondo, no podría aislar el interior del cuerpo del frío ambiental, por lo que todo el cuerpo se congelaría, y los peces y otros organismos vivos morirían.

Cuando el agua se congela en los intersticios de las rocas, la expansión del hielo que se produce puede partirlas en trozos más pequeños. Este proceso, repetido en años, logra la formación de partículas y la consiguiente formación de un suelo fértil.

ACTIVIDAD 23»Para pensar, responder y después hacer: Si a un vaso lleno de agua y cubitos hasta el borde, se lo deja un rato sobre la mesa hasta que los cubos se derritan, ¿Se derramará el agua? ¿Por qué?




37FÍSICA

Apunte de clase: Los materiales y la energía: Electricidad y magnetismo

UNIDAD 4

1. Corriente eléctrica

Un poco de historia:En la filosofía de la antigua Grecia, la

palabra “átomo” se empleaba para referirse a la parte más pequeña de materia que podía concebirse y era considerada indestructible. De hecho, átomo significa en griego “no divisible”. El conocimiento del tamaño y de la naturaleza del átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos, ya que los estudiosos solo se limitaban a especular sobre él.

Varios siglos antes de Cristo, ya se proponían diferentes explicaciones sobre la constitución de la materia. Se hablaba de las partículas como granos, a los cuales se llamaba átomos. Como dijimos, para los científicos de la época, el átomo era lo más pequeño que constituía la materia y era indivisible.

En 1809, el físico inglés Juan Dalton (1766-1844) dio a conocer la primera teoría atómica. Para Dalton, los átomos eran una esfera compacta y no contenían ninguna partícula en su interior.

Hacia principios del siglo XX se modificó bastante dicha teoría.Se determinó que en el interior de los átomos hay partículas, que otorgan a este

una estructura interna. También, se determinó que el átomo podía ser divisible.

1. 1. ¿Qué es la corriente eléctrica?La electricidad, del griego elektron, que

significa ámbar, es un fenómeno físico cuyo origen son las cargas eléctricas y su energía se puede manifestar en fenómenos mecánicos, térmicos, luminosos y químicos, entre otros.

La teoría eléctrica se sustenta, en las partículas que se encuentran en la corteza del átomo, que como hemos dicho, son los electrones.

Lo podemos observar de forma natural en fenómenos atmosféricos, por ejemplo en los rayos, que son descargas eléctricas producidas por la transferencia de energía entre la ionosfera y la superficie terrestre.

Otros mecanismos eléctricos naturales los podemos encontrar en procesos biológicos, como en el funcionamiento del sistema nervioso.


FÍSICA

Es la base del funcionamiento de muchas máquinas, desde pequeños electrodomésticos de uso en nuestros hogares, hasta sistemas de gran potencia como los trenes de alta velocidad, y asimismo de todos los dispositivos electrónicos. Además es esencial para la producción de sustancias químicas como el aluminio y el cloro.

Lo que conocemos como corriente eléctrica, no es otra cosa que la circulación de electrones a través de un circuito eléctrico cerrado.

Fijense que hemos hecho hincapié, en que el circuito debe estar cerrado. Esta consideración es básica pero muy importante ya que, para que la corriente fluya por un conductor, el circuito eléctrico debe estar cerrado.

El circuito eléctrico elemental

Podemos llamar circuito eléctrico al recorrido preestablecido por el que se desplazan las cargas eléctricas.

La incandescencia de la lámpara se debe al desplazamiento de los electrones en el interior del material.

ACTIVIDAD 24»Entrar al siguiente sitio y construir un circuito como este teniendo en cuenta que la luz quede encendida.https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dcLa unidad de medida de la intensidad de corriente eléctrica es el Amperio o Ampere (A), y se refiere a la cantidad de cargas (electrones) que circulan por unidad de tiempo. Donde Coulomb (C), es la unidad de carga y (S) segundos, la unidad de tiempo.

I = Q T

1A = C S

Reiterando:La intensidad de corriente se mide en cantidad de carga, que pasa por una sección transversal del conductor, por segundo.

Obligatoria


39FÍSICA

Un ejercicio aclaratorio:

Si tenemos que calcular la intensidad de una corriente sabiendo que la carga eléctrica es de 3000 C y el tiempo que dura el pasaje es de 5 minutos, entonces procederemos de la siguiente manera:Q= 3000CT= 5 min, 300s

I = Q TI = 3000 C/ 300sI = 10 A

Dibujando los componentes eléctricos:

En los planos de las instalaciones eléctricas es muy complicado dibujar la verdadera forma de los artefactos y los caminos reales de los cables. En vez de eso, se recurre a una representación simbólica. En la siguiente tabla te mostramos algunos de esos símbolos.

ACTIVIDAD 25»Indicar qué lamparitas estarán encendidas en los siguientes circuitos:

Ahora bien, hemos dicho que la corriente eléctrica es el resultado de movimientos de cargas por un conductor (pensemos en un cable de cobre), pero:¿Por qué se mueven las cargas?Tensión (se representa con las letras V o E)

La tensión, el voltaje o diferencia de potencial, es una magnitud física que “impulsa” a los electrones a lo largo de un conductor en un circuito cerrado.


FÍSICA

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial, se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones.

1. 2. Una analogía con el agua

Imaginen que tienen un caño que está en forma horizontal, por ejemplo, apoyado sobre una mesa, con algo de agua en su interior. Mientras no lo toquemos, el agua permanecerá quieta en su interior. Pero cuando levantamos uno de sus extremos, el agua comenzará a deslizarse hacia la parte inferior del caño. Es decir, el extremo que hemos levantado, se encuentra a un mayor potencial (recuerden que la energía potencial depende de la altura), que el extremo inferior. Por tal motivo, el agua tiene energía

para poder moverse y comienza a deslizarse hacia abajo. Esa diferencia de potencial, diferencia de altura, produce sobre la partícula, agua, un trabajo para que esta se mueva.

En electricidad, la diferencia de potencial no lo logramos levantando un cable de cobre de un extremo, como lo hacemos con el caño que contiene el agua. En electricidad se logra con un dispositivo al que llamamos fuente.

2. Fuerza electromotriz (FEM)

Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo, que nos permita generar un

movimiento de electrones, al que llamamos corriente eléctrica.

Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.


Polo negativo (-)

Diferencia de potencial

Polo positivo

(+)

Fuente de FEM


8FÍSICA EDUCACIÓN

a DISTANCIA41

FÍSICA

Otra analogía

En la figura aparecen tres recipientes llenos de líquido, cuyos tubos de salida se encuentran todos al mismo nivel. Por la tubería del recipiente “B”, el líquido saldrá con mayor presión que por la tubería del recipiente “A”, por encontrarse el

“B” a mayor altura. Lo mismo ocurre con el recipiente “C”, que, aunque se encuentra al mismo nivel que el recipiente “A”, cuando se ejerce presión con un émbolo sobre la superficie del líquido, éste saldrá también a mayor presión por el tubo.

De forma parecida a esta analogía hidráulica actúa la fuente de fuerza electromotriz (FEM) para mover las cargas eléctricas por un conductor. Cuanto mayor “presión” ejerza la fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones, mayor será también el voltaje, tensión o diferencia de potencial que estará presente en un determinado circuito eléctrico.

Una de las más comunes fuentes de FEM, que utilizamos cotidianamente, son las pilas:

Se llama pila eléctrica a un dispositivo que genera energía eléctrica por un proceso químico transitorio,

puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo.

Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos o bornes. Uno de ellos es el polo positivo o ánodo y el otro es el polo negativo o cátodo.

2. 1. La ley de OHM

Como resultado de sus investigaciones, en las que experimentaba con materiales conductores, el científico alemán Georg Simon Ohm llegó a determinar que la relación entre voltaje y corriente era constante y nombró a esta constante resistencia.

Se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:

Donde tenemos que:● I = Intensidad en amperios (A)● V = Diferencia de potencial en voltios (V)● R = Resistencia en ohmios (Ω).


FÍSICA

ACTIVIDAD 26»Resolver los siguientes ejercicios. Colocar una cruz (X) donde corresponda.1) ¿Cuál de estas ecuaciones es correcta?a) V = I / R b) I = R / Vc) I = V / Rd) I = V · R2) Se ha determinado, según la información que lleva impresa en el culotte, que la lamparita de uno de los faros de un automóvil es de 12 Volts y 4 Amperes. ¿Cuál será su resistencia? 3) Un electroimán requiere una intensidad de corriente de 1,5 Amperes para su correcto funcionamiento. Al medir la resistencia de la bobina, resulta de 24 OHMS. ¿Qué tensión hay que entregarle para que funcione correctamente?

La ley define una propiedad específica de ciertos materiales por la que se cumple la relación:

Los materiales que cumplen con esta relación, se los llama materiales Óhmicos.Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la resistencia del conductor

varía con la temperatura, como ocurre por ejemplo con algunas lámparas.Ahora bien, hemos definido qué es la tensión y la corriente eléctrica, pero…¿Qué es la resistencia?

Resistencia eléctrica es la oposición que encuentra la corriente a su paso, por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre

flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones.

Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico, representa en sí una resistencia, u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.

Normalmente los electrones circulan por el circuito eléctrico de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor. Esa situación hace que se eleve la temperatura del conductor.

Este impedimento u obstáculo que presenta al paso de la corriente eléctrica un material, lo llamamos resistencia eléctrica, y su unidad es el OHM (Ω).

Todo artefacto que conectemos a la red eléctrica presenta una cierta resistencia al paso de la corriente.


8FÍSICA EDUCACIÓN

a DISTANCIA43

FÍSICA

Algo de información Algunos efectos y aplicaciones de la corriente eléctrica.● Efecto calorífico: Los conductores se calientan al pasar por ellos una corriente eléctrica. Este efecto se aprovecha en estufas, cocinas eléctricas y, en general, en todos los electrodomésticos utilizados como sistemas de calefacción. Sin embargo, este efecto tiene también consecuencias negativas, ya que, al calentarse, los cables disipan energía. En una lámpara de incandescencia (una lamparita común), este efecto eleva el consumo energético.● Efecto químico: La corriente eléctrica puede inducir cambios químicos en las sustancias. Esto se aprovecha en una pila, que produce electricidad a partir de cambios químicos, o en galvanotecnia, la técnica empleada para recubrir de metal una pieza.● Efecto luminoso: En una lámpara fluorescente, el paso de corriente produce luz.● Efecto magnético (electromagnetismo): Una corriente eléctrica tiene efectos magnéticos (es capaz de atraer o repeler un imán) al desplazarse por un conductor.




FÍSICA

Apunte de clase: Los materiales y la energía : electricidad y magnetismo. Parte 2

UNIDAD 5

1. Introducción

Potencia eléctrica y magnetismo

Cuando conectamos un equipo eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo una lámpara, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria.

De acuerdo con la idea, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”; en el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado.

Teniendo en cuenta lo anterior, se llama efecto Joule, a la transformación de energía eléctrica en calor.

Un ejemplo de este fenómeno se produce cuando una corriente eléctrica pasa por un conductor, como hemos visto en la etapa anterior, al referirnos a Algunos efectos y aplicaciones de la corriente eléctrica.

Muchos artefactos transforman la energía eléctrica en energía térmica, en luz, etc.

Llamamos potencia eléctrica transformada (por ejemplo en un aparato eléctrico) a la energía transformada en el tiempo.

Un J/s equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos “gastando o consumiendo” 1 watt de energía eléctrica.

Entonces, la unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.

La unidad de consumo de energía de un dispositivo eléctrico se mide en watt-hora (vatio-hora), o en kilowatt-hora (kW-h) para medir miles de watt.

Información:Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y

al hogar, en lugar de facturar el consumo en watt-hora, lo hacen en kilowatt-hora (kW-h). Si, por ejemplo, tenemos encendidas en nuestra casa dos lámparas de 500 watt durante una hora, el medidor de consumo eléctrico registrará 1 kW-h consumido en ese período de tiempo, que se sumará a la cifra del consumo anterior. Les contamos además que1 kWh equivale a 3 600 000 J.


45FÍSICA

Una lámpara de 40 W consume o gasta menos energía que otra de 100 W. Por eso, mientras más equipos conectemos a la red eléctrica, mayor será el consumo y más dinero habrá que abonar después a la empresa de servicios a la que contratamos la prestación del suministro de energía eléctrica.

El consumo en watt (W) o kilowatt (kW) de motores, calentadores, equipos de aire acondicionado, televisores u otro dispositivo similar, en la mayoría de los casos se puede conocer leyéndolo directamente en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores esa placa se suele encontrar colocada en uno de sus costados y en el caso de las lámparas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base.

2. Información y precauciones con el uso de la corriente eléctrica¿Qué son los cortocircuitos?

Placa colocada al costado de un motor de corriente alterna, donde aparece, entre otros< datos, su potencia en kilowatt (kW), o en C.V. (H.P.).

Los cortocircuitos ocurren cuando el cable de alimentación y el de retorno de un aparato entran en contacto, y la corriente pasa por ellos sin que medie una resistencia. Al producirse accidentalmente el contacto entre estos conductores, suele tener lugar una descarga.

Para evitar que se produzcan cortocircuitos, la corriente debe interrumpirse de forma muy rápida en cuanto alcance valores elevados. Esta es la función que realizan los fusibles. Se trata de puntos débiles colocados en un circuito. De esta forma, en cuanto la corriente sobrepasa el valor para el que ha sido concebido, el fusible se funde interrumpiendo el circuito y evitando, de esta forma, un daño.

2. 1. Los sistemas de protección

Fusibles

Un fusible es un dispositivo que consta de un conductor delgado enlazado en un soporte. Cuando la corriente pasa, este se calienta por efecto Joule, y disipa en forma de calor toda la energía posible, (se comporta como un conductor). Pero, cuando la intensidad de corriente aumenta, este comienza a no poder disipar tal aumento de energía en forma de

calor, entonces producto del calor, el metal se funde y se corta.Es lo que habitualmente llamamos “saltaron los tapones”.


FÍSICA

Interruptor termomagnético

El interruptor termomagnético, es el que habitualmente llamamos llave térmica.

¿Cómo funciona?El funcionamiento de un

interruptor termomagnético se basa en dos de los efectos producidos por la circulación de corriente eléctrica en un circuito: el magnético y el efecto Joule.

El dispositivo consta, por tanto, de dos partes, un electroimán y una lámina bimetálica, conectadas en serie y por las que circula la corriente hacia la carga.

MagnéticoAl circular la corriente por la bobina, el

electroimán (este concepto lo veremos más adelante) crea una fuerza que, mediante un dispositivo mecánico adecuado, tiende a abrir un contacto, pero sólo podrá abrirlo si la intensidad I que circula por la carga sobrepasa el límite fijado. Este nivel de actuación es de aproximadamente unas 25 milésimas de segundo, lo cual lo hace muy seguro por su velocidad de reacción.

Esta parte del dispositivo es el que actúa en caso de corto circuito o sobre carga.

Térmico

La otra parte está constituida por una lámina bimetálica que, al calentarse por encima de un determinado límite por efecto de la corriente que circula por ella, sufre una deformación y pasa a una posición que activa el correspondiente dispositivo mecánico, provocando la apertura del contacto. Esta parte es la encargada de proteger de corrientes que, aunque son superiores a las permitidas por la instalación, no comprometen al dispositivo magnético.

Ambos dispositivos se complementan en su acción de protección, el magnético para los cortocircuitos y el térmico para las sobrecargas.

Otro artefacto de protecciónEl interruptor diferencial

El interruptor diferencial, que algunos denominan “salvavidas” es un interruptor electromecánico especial que, gracias a sus dispositivos internos, tiene la capacidad de detectar la diferencia entre la corriente “absorbida” por un aparato consumidor y la de retorno. Cuando esta diferencia supera un valor estipulado (en general 30 mA), el dispositivo interrumpe el circuito, cortando el suministro de corriente a toda la instalación.


47FÍSICA

Con el interruptor diferencial podemos interrumpir el suministro de energía eléctrica cuando esta se deriva a una persona en una cantidad superior a 30 mA, evitando que esta corriente aumente y ponga en peligro la vida. Por esta razón es muy recomendable tenerlo en toda instalación eléctrica, siendo obligatorio su uso en toda instalación nueva. ¿En su casa se acuerdan de pulsarlo?

Algo más…La tercera pata de los enchufes

Una persona se puede electrocutar si toca un cable “vivo”, (que por lo común lo es porque el aislamiento se ha desgastado y los conductores están expuestos) mientras está en contacto con tierra. El contacto a tierra se puede establecer tocando una tubería de agua (que normalmente está al potencial de tierra) o estando de pie en el suelo con los pies húmedos, porque el agua impura es buena conductora. Es obvio que se debe evitar esta clase de situaciones a toda costa.

Una descarga eléctrica puede dar por resultado quemaduras mortales o provocar el mal funcionamiento de músculos de órganos vitales, como el corazón. El grado de daño al organismo depende de la magnitud de la corriente, del lapso de tiempo durante el cual actúa y de la parte del cuerpo por la que pasa. Las corrientes de 5 mA o menos pueden causar una sensación de descarga pero en condiciones ordinarias causan poco o ningún daño. Si la corriente es de más de alrededor de 10 mA, los músculos de la mano se contraen y la persona puede ser incapaz de soltar el cable vivo. El paso de una corriente del orden de 100 mA a través del cuerpo tan sólo por unos segundos puede ser mortal. Estas corrientes tan grandes paralizan los músculos respiratorios. En ciertos casos, el paso de corrientes de alrededor de 1 A a través del organismo producen quemaduras graves (y a veces mortales).

Como medida adicional de seguridad para el consumidor, ahora los fabricantes de equipos eléctricos utilizan cables que tienen un tercer conductor, llamado conexión a tierra de caja o carcaza. Para entender su funcionamiento, observe las figuras.

El taladro que se utiliza en la figura (a) muestra un dispositivo de cables, uno de los cuales, el llamado cable “vivo”, está conectado al alto potencial (220 V) de la línea de alimentación, y el segundo está conectado a tierra (O V). En condiciones normales de operación, el camino que la corriente sigue a través del taladro es como se muestra en a. Sin embargo, si el alambre de alto voltaje entra en contacto con la caja del taladro (Fig. b), se puede producir un “corto circuito”. En esta circunstancia indeseable, el camino para la corriente va del cable de alto voltaje a tierra a través de la persona que sostiene el taladro: una trayectoria que puede matar. Se brinda protección por medio de un tercer cable conectado a la carcaza del taladro (Fig. c). En este caso, si se produce un corto, el camino de menor resistencia para la corriente va del alambre de alto voltaje a través de la caja y de regreso a tierra por el tercer alambre. La alta corriente resultante quema un fusible o acciona un corta circuito antes de lesionar al consumidor.

(Fragmento tomado de Física- Serway y Faughn)


FÍSICA

2. 2. Magnetismo

Se llama imán a todo material que posee la propiedad de atraer ciertos metales, producto de generar un campo magnético. Los imanes pueden ser naturales, como la magnetita, o artificiales, obtenidos a partir de aleaciones de diferentes metales.

Los imanes tienen la particularidad de poseer mayor capacidad de atracción en los extremos que en el resto de su cuerpo. Estos extremos se llaman polos y producto de que se alinean en dirección a los polos terrestres, se los denomina polos norte y sur correspondientemente.

La zona del espacio en que la fuerza del imán se puede detectar, se denomina campo magnético. Este campo se representa mediante líneas de fuerza, que son unas líneas imaginarias, cerradas, que van del polo norte al polo sur.

Tipos de imanes

Los imanes pueden ser:● Naturales● Artificiales (creados por el hombre)

Un imán natural es un mineral con propiedades magnéticas. Un imán artificial es un cuerpo de material ferromagnético al que se ha

“proporcionado” la propiedad del magnetismo.● permanentes● temporales

Un imán permanente está fabricado en acero imantado.Un imán temporal, pierde sus propiedades una vez que cesa la causa que

provoca el magnetismo.Un electroimán es una bobina (en el caso mínimo, una espira) por la cual

circula corriente eléctrica.


49FÍSICA

Los polos de un imán.Los imanes SIEMPRE tienen dos

polos magnéticos, norte y sur.

Si se enfrentan polos iguales se repelen, pero si enfrentan polos diferentes se atraen.

Otra particularidad es que:

Si los imanes se parten por la mitad, o en los pedazos que usted desee, siempre cada pedazo tendrá los dos polos, norte y sur, uno en cada extremo.

Los polos del imán siempre aparecen en pares y no se puede tener un mono polo magnético.

¿Cómo se puede distinguir cada polo?

Como sabrá, el modo más simple es con una brújula, la cual es una aguja imanada.

La tierra es un gran imán, (producto de que su núcleo posee cargas en movimiento- NI FE- níquel - hierro) Así, cuando el campo magnético de la aguja percibe el campo magnético de la tierra, esta comienza a moverse hasta alinearse. Una vez alineado, la aguja que apunta hacia el polo norte terrestre, se la llama norte y a la parte de la aguja que apunta hacia el sentido contrario, se la denomina sur.

Para que se alinee en la dirección norte-sur, es necesario que no se encuentren campos magnéticos que distorsionen el campo magnético terrestre.

Los modelos que nos brindan explicaciones acerca de cómo son los imanes, nos dicen que estos parecieran estar constituidos por pequeños elementos magnéticos, que se ordenan, bajo el influjo de un campo magnético.


FÍSICA

ACTIVIDAD 27»Ingresen en la siguiente dirección:https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/faradayUtilizaremos ahora la primer solapa: Barra imantada. En ella seleccionen mostrar campo y mostrar brújula. Vayan moviendo primero la brújula alrededor del imán y observen el movimiento de la aguja. Luego desplacen el imán prestando atención a las “marcas del campo”Al acercar el imán con el polo norte a la brújula, ¿Qué lado de la aguja se acerca? ¿Por qué? ¿Cómo es el campo magnético en torno del imán?

2. 3. Inducción electromagnética

¿Cómo se genera la corriente eléctrica?

Si colocamos una brújula cerca de un cable conductor, al hacer pasar una corriente eléctrica por él observaremos que la aguja se mueve.

Esto significa que los electrones que se mueven por el alambre han generado un campo magnético que fue detectado por la brújula.

La desviación de la aguja depende del sentido de la corriente y de la ubicación del cable por encima o por debajo de la brújula.

Inversamente, cuando un imán se mueve mecánicamente en la cercanía de un cable conductor, genera en él una corriente eléctrica.

Entonces:

Cuando una corriente circula por un cable genera una desviación en una aguja de una brújula. Es decir, genera un campo magnético.

Cuando un alambre, enrollado en forma de cilindro se mueve con respecto a un imán o viceversa, se genera en él una corriente eléctrica.

A estos fenómenos se los denomina inducción electromagnética.

La relación existente entre los campos magnéticos y los eléctricos es muy importante. Ella explica, por ejemplo, el funcionamiento de los motores eléctricos, el de las dínamos para generar electricidad a partir de la energía mecánica, el de los transformadores que modifican las características de la corriente eléctrica o el de los micrófonos y los parlantes entre otras cosas.

Los campos magnéticos y eléctricos no están “adheridos” a los cuerpos magnetizados ni a corrientes eléctricas, sino que también pueden existir y propagarse en el espacio en forma de ondas electromagnéticas.

Todo campo eléctrico variable genera un campo magnético variable.Todo campo magnético variable genera un campo eléctrico variable.

Esquemas de algunas aplicaciones tecnológicas:



51FÍSICA

ACTIVIDAD 28»En esta ocasión volveremos a utilizar el mismo sitio, ya que tiene unas simulaciones muy interesantes. Entren en la siguiente dirección:https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/faradayLuego realicen las experiencias propuestas en las pestañas:Bobina inducida. Mueva el imán acercándolo a la bobina ¿Qué observan? ¿Por qué? ¿Qué ocurre si lo hace más rápido?.Electroimán. ¿Qué ocurre al acercar el electroimán funcionando a la brújula?¿Cómo es el campo magnético en torno del electroimán?¿Qué ocurre al variar la corriente del electroimán?Generador. Abran lentamente la canilla, ¿Qué pasa con la brújula y la bobina?Abran más la canilla, ¿Qué ocurre en la brújula y en la bobina? ¿Por qué?



Obligatoria

Esquema de un motor eléctricoEsquema de un parlante


FÍSICA

1. El sonido

A lo largo de este capítulo va a ver que el sonido es una vibración de los materiales, y cuáles son sus principales características.

● ¿Por qué podrá escuchar a través de una pared?● ¿Por qué algunos sonidos hacen temblar los vidrios?● ¿Por qué nos llega la luz del Sol a través del vacío espacial y no su sonido?El sonido es una vibración. Por eso, para que pueda propagarse necesita

algo que vibre. Algunas experiencias aclaratorias

a) Sostengan firmemente el extremo de una regla apoyada sobre una mesa, dejando libre el otro. Produzcan en ella una serie de vibraciones. ¿Qué sucede? ¿Perciben algún sonido?

b) Coloquen una hoja delante de su boca. En esta posición mantengan una breve conversación, o bien emitan distintos sonidos. Háganlo más fuerte o más despacio (respecto del volumen del sonido), siempre con el papel delante de sus labios.

c) Inflen un globo y átelo. Luego coloquen sus manos sobre su superficie y hablen sobre la superficie del globo.

Analicemos el fenómeno observado: Tal como lo percibieron, siempre que se produce un sonido, algo ha

vibrado. Analicen las diferentes situaciones en que las que se producen sonidos (relacionándolas con las experiencias anteriores), como por

ejemplo, el golpe sobre un objeto, el canto de un pájaro (trino, gorjeo, chillido...), la caída de una lata, el paso de un avión, la sirena de una

ambulancia, la bocina de un barco.

La luz y el sonido comparten la característica de ser fenómenos ondulatorios. Esto significa que la información que transportan “viaja” en forma de ondas.

Sin embargo, el tipo de onda es diferente en los dos casos. Describiremos a continuación qué es una onda y cómo se clasifican.

Apunte de clase: Los materiales y la energía: el sonido

UNIDAD 6


53FÍSICA

Cuando arrojamos una gota de agua a un charco de aguas tranquilas observamos que en la superficie del mismo se forman una serie de olas concéntricas al punto de impacto de la gota con el agua. Se han generado ondas por el movimiento de elevación o descenso de la superficie líquida.

Durante el mundial de fútbol de México ‘86 los telespectadores fuimos testigos de un hecho colectivo que tenía como protagonistas a todas las personas que estaban en las tribunas del estadio. Éstas se paraban y levantaban sus brazos en forma sincronizada dando la apariencia de una “ola” que recorría los palcos. Rápidamente esta costumbre se extendió a otras competencias y eventos y se mantiene aún en vigencia.

Tal como usted puede ver la imagen de la tribuna es una buena analogía de onda.

Las analogías pueden resultar interesantes recursos que facilitan la comprensión de algunos conceptos.

Llamaremos “perturbación” a los cambios producidos por el paso de la onda. En los ejemplos anteriores estaría representada por el movimiento de la superficie del agua y...

1. 1. ¿Cuál es el movimiento en el ejemplo de la ola?

Podemos clasificar a las ondas de acuerdo a la dirección del movimiento de la perturbación que genera el paso de una onda.

Si la dirección de la perturbación tiene la misma dirección que el desplazamiento de la onda se la define como onda longitudinal.

En cambio, si la dirección del movimiento de la perturbación es perpendicular a la dirección del desplazamiento de la onda es denominada onda transversal.


FÍSICA

Esta diferencia la pueden probar prácticamente, usando los resortes de plástico que se venden en jugueterías, o construir un sistema con palitos de helado como se ven en las ilustraciones.

Las perturbaciones que sufren las partículas podemos representarlas en el siguiente gráfico en función de la distancia:

En el mismo definiremos:Amplitud: es la oscilación máxima que realiza un punto cualquiera del medio al ser alcanzado por la perturbación. La amplitud máxima por encima del eje de la distancia podemos denominarla cresta. De la misma manera a la amplitud máxima por debajo del eje de la distancia la denominamos valle.Longitud de onda: Es la distancia entre dos puntos que se encuentran en un mismo estado de vibración (fase), por ejemplo, dos crestas. Se representa con la letra griega ë (lambda).Otros elementos característicos del movimiento ondulatorio son la frecuencia y el período.Período: El tiempo que transcurre para que se realice una oscilación completa se denomina período de la onda. Se representa por medio de la letra T.Podemos preguntarnos también cuantas oscilaciones realiza un punto de la onda en un segundo. A este valor se lo denomina frecuencia de la onda.

La frecuencia es el número de oscilaciones por segundo. Se representa por medio de la letra f.

Les proponemos además este corto video con el que podrán observar cómo “viaja” , se propaga un pulso:Maquina de Ondashttps://www.youtube.com/watch?v=J3K966ZXdD0

VIDEO



55FÍSICA

ACTIVIDAD 29»Utilizando la siguiente simulación: https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/sound podrán observar mucho de lo que hemos trabajado. Accionen la solapa “Escuche una sola fuente” y activen “altavoz y audio permitido” luego vayan cambiando: La frecuencia…¿Qué cambios observan al cambiar la amplitud? Utilizando la simulación anterior pero aplicando la pestaña: “Escuche con presiones de aire que varían” Realicen lo siguiente:

Obligatoria

Entre la frecuencia (f ) y el período (T ) existe una relación tal que:f = 1 / T

Es decir que la frecuencia es la inversa multiplicativa del período.

La unidad de frecuencia es el hertz o hertzio (Hz) que equivale a una oscilación por segundo (1/s).

El nombre de esta unidad es un homenaje al físico alemán Heinrich Hertz (1857-1894).

Por ejemplo, si tenemos una onda con una frecuencia de 40 Hz, es decir que se realizan 40 oscilaciones en un segundo. ¿Cuál es el tiempo que tarda en hacer una oscilación? O formulando la pregunta de otra manera ¿Cuál es su período?

Para resolver este problema tenemos que conocer la relación entre frecuencia y período:

f = 1 / T40 Hz = 1 / T

Reemplazando en la misma los datos que poseemos. Si despejamos nuestra incógnita, en este caso T, nos queda:

T = 1 / 40Por lo tanto el período de esta onda es de 0,025 s.● Investiguen cómo se ubican las emisoras en una radio. ¿Hay alguna

unidad en juego (fíjense en el dial de un aparato de radio)?

Para resolver esta consigna se espera que se refieran al Kilohertz y a los Megahert. (frecuencias en las que emiten las distintas emisoras de radio).

1. 2. Otra clasificación para las ondas

Podemos encontrar otro criterio para clasificar a las ondas. Lo haremos en función de su naturaleza, es decir, si necesitan o no un medio material para poder generar las perturbaciones.

Las ondas mecánicas o materiales necesitan de un medio material para poder propagarse. Este medio puede ser sólido, líquido o gaseoso.

En cambio, las ondas no mecánicas o electromagnéticas no necesitan de un medio material para propagarse. Es decir, pueden hacerlo aún en el vacío.


FÍSICA

Coloquen altavoz y audio permitido, luego busquen una frecuencia y amplitud que le permita escuchar bien el sonido, luego opriman quite el aire de la Caja.¿Qué ocurre al sacar el aire de la campana?Si colocamos un timbre sonando debajo de un campana de vidrio y extraemos todo el aire del interior de la misma, no lo podríamos oír, por más fuerte que éste sonara.Esto nos indica que el sonido es una onda mecánica.El término sonido también se refiere a la sensación física que estimula nuestros oídos, es decir, a las ondas longitudinales.Por otro lado, sabemos que la luz solar puede propagarse en el espacio, donde se dan las condiciones de vacío, y llegar a nuestro planeta. Esto nos indica que la luz es una onda no mecánica o electromagnética. Existen muchas otras ondas electromagnéticas. Algunos ejemplos pueden ser las ondas de radio, las microondas, los rayos ultravioleta y rayos X.

ACTIVIDAD 30

ACTIVIDAD 31

»

»

A modo de resumen de lo trabajado hasta el momento: Completar el cuadro con los diferentes tipos de clasificación de ondas estudiadas.

A veces, el sonido se escucha distintoSabemos que a través del aire percibimos sonidos, ¿los podemos recibir mediante otros medios?Para responder esta pregunta realizaran las siguientes actividades.En un costado de la mesa peguen pequeños golpecitos prestando atención al sonido que produce, luego indíquenle a alguien que apoye una oreja sobre la mesa a “cierta distancia” desde donde se emiten los golpes ¿Se escucha con la misma claridad?

Curiosidad:Algunos mecánicos escuchan sobre un palo de escoba apoyado a los costados del motor en

marcha para detectar ruidos que les indiquen fallas.Expliquen este ejemplo utilizando los conocimientos aprendidos.

Clasificación de ondas

Según (su forma de propagación)

Segun (por el medio en el que se propaga)

Obligatoria


57FÍSICA

ACTIVIDAD 32»Otra actividad curiosa…Con una cuchara común podrán escuchar sonoras campanadas. Sólo necesitarán una cuchara para sopa e hilo de coser.Deberán atar la cuchara con el hilo de coser y los extremos del hilo se sostienen contra ambos oídos, de manera que la cuchara quede colgando. Luego se golpea la cuchara con cualquier elemento● ¿A qué se debe que el sonido se escuche tan intenso?● ¿Qué papel desempeña el hilo?● ¿Ocurriría lo mismo con una cuchara de madera?

Curiosidad: Una particularidad que presentan las ballenas es la comunicación que establecen entre sí.

Emiten sonidos variados que utilizan para guiarse por ecolocalización, y que utilizan además como lenguaje. Las secuencias sonoras se suceden con mugidos, quejidos y otras extrañas modulaciones. Algunos de estos sonidos se oyen desde muy lejos ya que se propagan muy

bien en el agua.

ACTIVIDAD 33

ACTIVIDAD 34

»

»

Colóquense la boca de un vaso de vidrio sobre la oreja, y en esa posición golpeen el vaso con un dedo. Repitan luego la operación pero rellenando antes el vaso con algodón.● ¿A qué atribuyen el cambio de sonido? (Tengan en cuenta las características del material).

Posiblemente lo haya utilizado para jugar cuando era chico….Transmisión de la voz: el “teléfono de hilo”Van a necesitar:● Vasitos de plástico descartables.● Hilo de algodón, tanza, etc.● Algunos palillos, fósforos, etc.● Tijeras.Construcción:

Hagan, en cada vasito, un pequeño agujero en el centro de la base. Luego pasen cada extremo del hilo por el agujero de cada vaso. Aten la punta del hilo al palillo, colocándolo en la parte interior del vaso.Procedimiento:

Una vez armado el teléfono, cada persona tomará un vasito y, luego de tensar el hilo, podrá comenzar a comunicarse con la otra. Facilitará la exploración, utilizándolo con tonos de voz más alta y más baja, con mayor y menor volumen, superponiendo las voces, etc.Podrán probar las características de la propagación de fenómenos ondulatorios a través de distintos medios materiales. ¿Cómo?… Conectando los tubos con hilo de distinto tipo: tanza, lana, nylon, etc.¿Por qué sólo se escucha si el hilo está tenso?


FÍSICA

ACTIVIDAD 35»A) Expliquen por qué se ve primero un rayo y luego se escucha el sonido del trueno. (La velocidad de la luz es de 300.000 km /s).B) Calcular a qué distancia se encuentra una persona del estadio de Boca, si en el momento que escucha el “gol” por la radio sale a la calle y después que transcurren 3 segundos escucha “gooooooooooooolllllllll”.

Información para ampliar los resultados de la actividad: La forma en que la vibración de un objeto se transmite al medio ambiente y se propaga en él,

llegando (tal vez) a ser percibidos, se llama propagación del sonido. Esta propagación se producirá siempre que exista algún medio gaseoso (aire), líquido (agua) o sólido (madera, metal. hilo tenso).

Velocidad del sonido en algunos medios:


2. Los sonidos del silencio

Nuestro oído es una verdadera maravilla de la naturaleza. Sin embargo, tiene algunas limitaciones para captar sonidos. Sólo puede reaccionar ante ondas sonoras que se encuentran dentro de un determinado rango de frecuencias (20Hz - 20000 Hz). Todas las ondas sonoras por encima o debajo de ese rango no son detectadas. ¡Lo que interpretamos como silencio puede estar inundado de “sonidos”!.

Se definen como ultrasonidos aquellos que se encuentra por encima de las frecuencias detectadas por el oído humano. Los infrasonidos poseen valores de frecuencia menores a los detectados por nuestro oído.

Para determinar el nivel de intensidad de las ondas sonorasdetectadas por el oído se emplea una escala que utiliza como unidad al bel, en honor a Graham Bell, inventor del teléfono. Sin embargo, corrientemente se utiliza un submúltiplo de esta unidad: el decibel (dB).A la intensidad más baja de sonido que puede detectar el oído humano se le asigna el valor de 0 dB. En la tabla podrás apreciar la intensidad de sonidos generados por ciertos hechos y situaciones. Cuando la intensidad del sonido sobrepasa los 120 dB, la sensación sonora causa intenso dolor.


59FÍSICA

El tonoEl tono es una cualidad

relacionada con la frecuencia de la onda sonora. Cuando la frecuencia es alta el sonido es agudo o alto. Las frecuencias bajas corresponden a los sonidos graves o bajos.

Por medio de un instrumento musical podemos ejecutar distintas “notas”.

Las notas corresponden a ondas que poseen diferentes frecuencias.

En la tabla podrán observar la frecuencia de las notas musicales (escala musical La normal)

3. ¿Cómo andamos de nuestros oídos? Cualidades del sonido

Existen tres características o cualidades que definen un sonido: la intensidad, el tono o altura y el timbre.

La intensidadLa intensidad del sonido está relacionada con la amplitud de la onda sonora. Es

decir está relacionada con la energía que transporta la onda. A mayor amplitud mayor intensidad y viceversa. Es decir que podemos distinguir los sonidos fuertes (alta intensidad) de los sonidos débiles (baja intensidad). Recuerden la actividad realizada con el simulador.

El timbreEl timbre es una cualidad del sonido que nos permite distinguir dos

sonidos que posean igual tono e intensidad.Por ejemplo, cuando un violonchelo y un violín tocan la misma nota,

suenan muy diferentes. Es decir, ambas notas tienen la misma intensidad y frecuencia, pero las diferencia lo que denominamos el timbre.

Podemos reconocer una voz y diferenciarla de otra por el timbre que posee.

Existen distintos tipos de instrumentos musicales. Pero todos ellos se caracterizan por producir sonidos de determinadas características, llamados notas, que dependen de las condiciones en que se dispone el elemento que se hace vibrar.

Los elementos que vibran pueden ser cuerdas, como las guitarras o los violines. En ellos las distintas notas se obtienen según se combinen la elasticidad de las cuerdas y la longitud de la zona vibrante.

También, el elemento vibrante, puede ser una columna de aire, como en las trompetas, saxos, sikus, etc. La frecuencia del sonido varía en ellos en relación a las dimensiones del conducto del aire.

Y otros instrumentos, llamados de percusión, producen sonido al pulsar o golpear alguna parte (más o menos elástica) de su superficie. Así funcionan el tambor, los bombos y platillos, y también la campana (y la cuchara de la experiencia realizada anteriormente).


FÍSICA

ACTIVIDAD 36»¡Música maestro! Elijan 3 instrumentos de la orquesta y expliquen cómo se producen sonidos en cada uno de ellos.


3. 1. Información complementaria

La contaminación sonora también es un gran problema….La siguiente nota periodística presenta datos sobre contaminación sonora

en la ciudad de Buenos Aires. Presten atención a como es la “polución sonora” en el medio en que ustedes se desempeñan.

25.07.2007 | Clarin.com | Ultimo Momento22:01 | Arrancaron los controles por la contaminación sonora en Capital El gobierno porteño comenzó a verificar hoy que el ruido de los camiones no supere los límites dispuestos por ley en 14 barrios porteños. Los operativos se harán tres días por semana y el viernes será el turno de los colectivos. Las multas van de $1.000 a $50.000.Clarín.comEl gobierno porteño comenzó hoy a controlar el cumplimiento de los nuevos límites de ruido dispuestos por ley para los transportes pesados y los colectivos que circulan por la Ciudad y de otras fuentes de contaminación sonora. Un equipo de inspectores acompañados por la Policía verificarán durante tres días a los camiones y el viernes a los colectivos. Para los sancionados las multas van de $1.000 a $50.000. La medida, aprobada por la Legislatura y reglamentada por decreto, comenzó a regir hoy con el inicio de los procedimientos técnicos de medición para determinar el impacto acústico que generan determinadas actividades, y estarán a cargo de los Ministerios de Medio Ambiente y Gobierno. La norma establece la vigilancia del ruido de locales bailables, de canto y música, actividades industriales o en las que se utilice maquinaria pesada y vías de transporte.El texto también instaura un procedimiento de medición para vibraciones e indica los límites de emisión e inmisión acústica de los distintos tipos de actividad, sobre todo para las fuentes móviles. La medición se hizo mediante el uso de un decibelímetro, un dispositivo que se coloca en el caño de escape del automóvil con el vehículo frenado y en marcha.Según la Organización Mundial de la Salud, la intensidad del sonido tolerable es de 70 decibeles. A partir de ese nivel, el ruido se transforma en una molestia y al superar los 90 se pasa el umbral del dolor y se convierte en algo dañino. El Ministerio de Medio Ambiente informó que en el mapa del ruido elaborado en 2005 -esto es, una representación gráfica de los niveles de presión sonora existentes en una determinada zona- se hallaron valores de ruido superiores a los permitidos. El área de la Ciudad que se seleccionó para el primer mapa abarcó una extensión de 20 kilómetros cuadrados, comprendidos por los barrios de Almagro, Balvanera, Belgrano, La Boca, Colegiales, Constitución, Monserrat, Palermo, Puerto Madero, Recoleta, Retiro, San Nicolás y San Telmo. Los puntos más críticos detectados con contaminación sonora coinciden con calles de mucho tránsito o grandes avenidas. La Plaza de Mayo, la 9 de Julio y la Autopista 25 de Mayo, Santa Fe, Charcas y Marcelo T. de Alvear mostraron un promedio de 75 decibeles. Además, los camiones que pasaban por la avenida Patricios, en Barracas, incrementaban el promedio de decibeles a más de 80, mientras que en las áreas peatonales las medidas bajan bruscamente.

Fuente: http://www.clarin.com/diario/2007/07/25/um/m-01464550.htm


61FÍSICA

Ecografía de un feto humano con la cabeza hacia arriba. Extraído de Física. Giancoli

ACTIVIDAD 37»Averigüen utilizando diferentes medios qué es y para que sirve el sonar que utilizan los barcos.



3. 2. “Algo” de los animales y el sonido

Los murciélagos emiten potentes chillidos de muy alta frecuencia y utilizan sus sensibles oídos para recoger las ondas sonoras que rebotan en los objetos que los rodean. Estas ondas que rebotan (reflejan) les informa sobre la posición y el tamaño de los mismos y los ayudan a saber si se mueven.

Está técnica se llama ecolocalización o biosonar y los ayuda a moverse en la oscuridad detectando los obstáculos que se interponen en su vuelo y a capturar insectos que vuelan.

Nosotros no podemos oír los chillidos que emiten los murciélagos, pero podemos oír algunos otros sonidos que producen.

Algunas preguntas…a) ¿Por qué no puede ser detectado por nuestro oído?b) ¿Conocen otro animal que utilice este sistema?

Algunas aplicaciones tecnológicas sobre estos temas

Las ecografías:El uso del ultrasonido para el diagnóstico médico es una aplicación

complicada e interesante de estos principios físicos. Se trata de una técnica de pulso y eco, muy semejante al sonar. Un pulso de sonido de alta frecuencia se dirige hacia el organismo, para detectar su reflexión desde los límites entre los órganos y demás estructuras y/o lesiones en el cuerpo. Con esta técnica es posible encontrar tumores y otros crecimientos anormales, o bolsas de fluido; se puede examinar la acción de las válvulas del corazón y el desarrollo de un feto, así como obtener información acerca de diversos órganos del cuerpo, como el cerebro, el corazón, el hígado y los riñones. Aunque el ultrasonido no reemplaza a los rayos X, es de gran ayuda para ciertos tipos de diagnóstico. Algunos tejidos o fluidos no aparecen en las fotografías de rayos X, pero las ondas ultrasónicas si se reflejan en sus límites.


FÍSICA

Apunte de clase: Los materiales y la energía: la luz

UNIDAD 7

1. Introducción

Vamos a abocarnos ahora al estudio de las propiedades de la luz y nada mejor para ello que cuestionarnos… ¿Qué es la luz? ¿Por qué vemos? ¿Qué significa ver? no son triviales y tienen su respuesta en cuestiones profundas de la naturaleza.

Comprender los mecanismos le demandó a la humanidad siglos de historia de la ciencia.

Un poco de luz sobre la historiaLa consideración de la luz y de los fenómenos ópticos tiene su origen cuando

el ser humano intenta comprender el mecanismo involucrado en la visión. Para los antiguos atomistas, (el atomismo, es un sistema filosófico, que surgió en Grecia durante el siglo V a. C.).

El universo está constituido por combinaciones de pequeñas partículas indivisibles denominadas átomos (en griego significa que no se puede dividir).

Los objetos eran visibles porque emitían imágenes que se desprendían y alcanzaban las almas de las personas por intermedio de los ojos.

Por el contrario, la teoría de los pitagóricos sostenía que era la misma visión, la que a través de los ojos enviaba un “fuego invisible” a los objetos para explorarlos. En relación a esta, posteriormente Euclides propone que es un rayo lo que emiten los órganos de la visión.

Hubo que esperar unos seiscientos años hasta que en el siglo XI un árabe, Alhazen, plantea que:

La luz del Sol va a los objetos y de estos a los ojos.

Ya en el siglo XVII personajes como Snell y Descartes dieron un gran paso al entendimiento estudiando la reflexión y refracción de la luz. Este último estableció correctamente las leyes de ambos fenómenos en su tratado “Óptica” aunque sin abordar estrictamente la naturaleza de la luz. Suponía, sin embargo, la inexistencia de un material que provenga de los objetos y que llegue a los ojos.

Aquel tratado, al parecer, tuvo una gran influencia en las concepciones de Isaac Newton, quien adhirió al modelo de Descartes, en el cual:

La luz se comportaba como proyectiles disparados.

Así nació, de la mano de Newton, la denominada teoría corpuscular, en la cual:

La luz estaría conformada por pequeñísimos corpúsculos emitidos con gran velocidad y en línea recta por los cuerpos emisores.


63FÍSICA

Estos tres fenómenos: propagación rectilínea, reflexión y refracción eran explicados por el modelo corpuscular de Newton y fue aceptado, quizá en parte por ser planteado por quien fue uno de los más grandes hombres de ciencia de la historia.

Por la misma época en que Newton postulaba su modelo corpuscular, por su parte, otro grande de la ciencia, Christian Huygens proponía un modelo radicalmente diferente: el ondulatorio. Él suponía que:

La luz era un fenómeno análogo al sonido y se la podía concebir como ondas que se propagan en un medio.

El sonido, como ya se conocía, requiere un medio material como es el aire, un metal, el agua, etc. Pero la luz podía propagarse también allí donde no hay aire.

Entonces, ¿Qué medio utilizaba la luz? Se concibió un fluido intangible, presente en todos lados, aun en el vacío: el éter.

El modelo ondulatorio explicaba consistentemente fenómenos como la refracción y a diferencia del modelo corpuscular, sostenía que:

La velocidad en un medio más denso era menor.

Como ya se adelantó, fue Foucault quien demostró doscientos años después esto último. Thomas Young hacia fines del mil setecientos logró aportar más pruebas a favor del modelo de Huygens. El modelo planteado explicaba satisfactoriamente en buena medida el comportamiento de la luz aunque la suposición de la existencia del éter traía ciertas inconsistencias.

Corría el año 1865 y en él se coronó este gran capítulo de la historia de la ciencia. El gran físico James Maxwell desarrolla sus famosas ecuaciones que describen el comportamiento del llamado campo electromagnético. Básicamente predicen que:

Campos eléctricos y magnéticos oscilantes puedan propagarse por el espacio.

También es notable que además predigan la velocidad a la que se propagan. La velocidad de las ondas es en el vacío de 300.000 kilómetros por segundo ¡la velocidad de la luz!

Veinte años después, en 1885 H. Hertz confirmó a través de una serie de notables experimentos que:

Las ondas de luz y las ondas electromagnéticas eran la misma cosa.

Pero también como resultado de experiencias célebres, se fue debilitando la idea de la necesidad del éter, todo indicaba que un fluido con propiedades tan notables no existía. De esta forma, se comprendió que este tipo de ondas no requerían de un medio y se propagarían indefinidamente por el espacio.

El modelo de propagación cambió definitivamente.Tenemos entonces una gran familia de ondas de este tipo, algunas de ellas

son:● Las ondas de radio,● Las microondas,● Las ondas infrarrojas,● Las ultravioletas y● La luz visible.


FÍSICA

La única diferencia esencial entre ellas es la longitud de sus ondas. De todo ese gran espectro que se tiene en la naturaleza, sólo podemos ver un estrecho margen. Nuestros ojos están adaptados a recibir información del mundo que nos rodea en el rango de 380 a 750 nanómetros (0,00038 a 0,00075 milímetros), esto corresponde a la luz violeta y la roja respectivamente. No podemos ver las ondas de radio, pero nos llegan por todos lados, como la luz durante el día.

Finalmente podemos decir que la verdadera naturaleza de la luz fue comprendida en las primeras décadas del siglo XX. Se sabe que realmente:

Tiene un comportamiento dual, la luz se comporta como partícula en ciertas condiciones y como ondas en otras.

1. 1. ¿Y cómo son las ondas?

Llegados a esta etapa, ¿cómo imaginamos las ondas de luz y las electromagnéticas en general?

Si consideramos una onda electromagnética como la luz, se podría representar, por ejemplo, la variación del campo eléctrico en un punto del espacio mientras la onda pasa por allí. También podría representar el desplazamiento de una porción de aire mientras se propaga el sonido.

Una analogía puede ser el paso de una onda en el agua de un lago, cuando pasa un bote. Si se deja flotando un corcho, éste sube y baja sin cambiar significativamente su posición respecto de la costa. El grafico, entonces podría representar adecuadamente la altura del corcho en función del tiempo. Pero la verdadera onda, que corre por debajo del corcho, no es lineal, es todo un plano: la superficie del lago.

El ejemplo es bueno para ver también que la onda viaja pero el agua no. Es únicamente la perturbación la que viaja.

Se suele usar la analogía de las ondas concéntricas en el agua cuando se tira una piedra para explicar propagación del sonido. ¡Pero cuidado! En el primer caso, obviamente se tiene ondas en un plano, en el segundo, ondas esencialmente esféricas en tres dimensiones, algo comparable a las catáfilas de una cebolla.

1. 2. Luz y compañía

El Sol es nuestra estrella más cercana y la fuente de energía que impulsa todos los procesos vitales. Esta energía se produce en las reacciones termonucleares internas y luego es irradiada en todas direcciones viajando enormes distancias a través del espacio.

Esta energía recibe el nombre de radiación electromagnética. Como dijimos antes, La naturaleza de estas ondas es totalmente diferente a la de las ondas sonoras o a las generadas en una soga o en la superficie del agua. Sin embargo, comparten las características del movimiento ondulatorio (amplitud, longitud de onda, frecuencia y período).

Existe una gran cantidad de radiaciones electromagnéticas que se diferencian por la cantidad de energía que llevan asociadas.


65FÍSICA

El conjunto de radiaciones electromagnéticas, desde las más energéticas hasta las menos energéticas se denomina espectro electromagnético.

Diversos organismos han desarrollado diferentes tipos de receptores capaces de detectar una pequeña porción de esta radiación electromagnética. Nuestros ojos han evolucionado para poder transformar esa radiación electromagnética en señales nerviosas que son transmitidas hacia el cerebro y generan la sensación de visión.

A la porción del espectro, que nuestros ojos pueden detectar, lo denominamos “espectro visible” y a la radiación electromagnética

correspondiente le asignamos el nombre específico de luz.

Entre las radiaciones electromagnéticas no visibles (para nuestros ojos) podemos mencionar los rayos gamma (ã), los rayos X, los rayos ultravioletas, los rayos infrarrojos, las microondas y las ondas de radio o hertzianas.

1. 3. Algunos datos de las ondas que componen el espectro

Las ondas de radio provenientes del espacio exterior han sido y son una fuente de información muy importante que nos permite conocer algunos de los secretos del cosmos. A través de estas ondas hemos podido mapear nuestra galaxia (Vía Láctea) y estudiar otras. Algunos satélites utilizaban este tipo de ondas para estudiar los cambios estacionales de la Tierra.

Los rayos infrarrojos están relacionados con el calor de los cuerpos. Podemos utilizar sensores de este tipo de ondas para detectar pérdidas de calor en las casas, realizar termogramas, mapear el fondo oceánico. Ciertos animales, como por ejemplo las serpientes, tienen este tipo de receptores para detectar a sus presas.

La luz visible puede ser descompuesta en varios colores. Cada uno de estos colores está asociado a un rango de longitudes de onda del espectro visible.

La radiación ultravioleta puede producir graves daños a nuestra piel y ojos. Dentro del campo científico puede ser utilizada para analizar minerales y permite estudiar las violentas erupciones solares.

Los rayos X, descubiertos accidentalmente, se convirtieron rápidamente en una herramienta muy valiosa para el diagnóstico médico, por ejemplo las radiografías y más recientemente las tomografías computadas.

La emisión de rayos gamma permitió, entre otras cosas, determinar la composición química de la luna. Estas ondas, que tienen un alto poder de penetración en los cuerpos, pueden utilizarse para el análisis de estructuras internas, desde las cañerías de una pared hasta las máscaras funerarias de los antiguos faraones egipcios.


FÍSICA

ACTIVIDAD 38»Nombren 3 electrodomésticos que utilicen este tipo de ondas. Por ejemplo, el control remoto de algunos televisores emiten rayos infrarrojos.

La velocidad de las ondas electromagnéticasLa radiación electromagnética posee la máxima velocidad que algo pueda tener. Sin embargo, esta velocidad de propagación presenta variaciones según el medio en el que se propague. La tabla nos muestra que la velocidad es mayor en el vacío y disminuye en otros medios. Esta increíble velocidad de la luz le permite recorrer la distancia desde el Sol hasta la Tierra en aproximadamente 8 minutos.

2. Fotoprotección O cómo cuidar nuestra piel del exceso de radiación solar.

La radiación solar es fuente de vida en la tierra, pero la exposición a esta en forma incontrolada, es un riesgo para la salud por sus efectos perjudiciales sobre la piel.

Las radiaciones más peligrosas del espectro solar electromagnético que alcanzan la superficie de la Tierra son la ultravioleta B (UVB: 290-320 nm) y la ultravioleta A (UVA: 320-400 nm). La radiación UVA conforma el 5% del perfil terrestre de la luz solar, mientras que la UVB representa el 0,5%. La radiación UVB, más energética, causa la mayoría de las reacciones fotobiológicas en la epidermis y sólo el 10% de ella pasa a la dermis. La radiación UVA se diferencia en que pasa a través del vidrio y el 50% penetra en la piel en profundidad alcanzando la dermis y afectando las células sanguíneas.

Las radiaciones solares producen sobre la piel, entre otros efectos, fotoenvejecimiento y fotocarcinogénesis. Los fotones de las radiaciones UV interaccionan con numerosas estructuras, incluso el ADN, el ARN, las proteínas y los lípidos de las membranas celulares. Al producirse daños irreparables en el ADN se induce a la formación de células cancerígenas.

De acuerdo con la Organización Mundial de la Salud (OMS), la incidencia del melanoma se está incrementando más rápidamente que cualquier otra neoplasia maligna. El melanoma es un cáncer de la piel, originado a partir de los melanocitos que son células productoras de melanina.

Las estrategias de fotoprotección se centran en la reducción del tiempo de exposición solar, especialmente en horas del mediodía, en llevar ropas adecuadas, utilizar gorras, anteojos y aplicar fotoprotectores.

FotoprotectoresLos fotoprotectores son sustancias de aplicación tópica, con capacidad de

absorber, reflejar o dispersar fotones de la región ultravioleta, evitando la penetración cutánea de estos e impidiendo así el daño actínico, o daño solar.

Los fotoprotectores tópicos se pueden presentar en forma de cremas, emulsiones, geles o lociones. Están constituidos por principios activos y



67FÍSICA

excipientes. Generalmente se formulan como compuestos que contienen de dos a seis filtros solares, con sustancias que protegen frente a la mayoría de las radiaciones del espectro ultravioleta.

Se pueden clasificar en: fotoprotectores químicos u orgánicos y fotoprotectores inorgánicos o pantallas minerales.

Fotoprotectores químicos u orgánicos: son sustancias sintéticas, generalmente compuestos aromáticos conjugados con grupos carbonilo, que absorben la energía transportada por los fotones de las radiaciones UV, actuando así como cromóforos exógenos. Estas moléculas pasan a un nivel de mayor excitación, regresando inmediatamente a su estado inicial y liberando el exceso de energía en forma de calor imperceptible, de fluorescencia o mediante transferencia a moléculas adyacentes. Dentro de los fotoprotectores UVB se encuentran el ácido paraaminobenzoico (PABA), los cimanatos, los salicilatos y el octocrileno. Los fotoprotectores UVA incluyen las benzofenonas, las antralinas, la avobenzona y el ácido tereftalideno-dialcanfor sulfónico. Algunos filtros absorben las radiaciones UVB y parte de las UVA, como el drometrizol trisiloxano.

Fotoprotectores inorgánicos o pantallas minerales: son polvos inertes constituidos por partículas de 180 a 250 nm de dióxido de titanio (TiO2), óxido de zinc (ZnO), óxido de hierro, óxido de magnesio, mica o talco. La capacidad de estos minerales de bloquear las radiaciones se debe a varias propiedades físicas que son el índice de refringencia, el tamaño de las partículas y la dispersión según el espesor de la película aplicada. Funcionan como una barrera física que refleja y dispersa las radiaciones solares, cualquiera que sea su longitud de onda.

Los fotoprotectores químicos son incoloros pero presentan un mayor riesgo de causar reacciones de contacto y fotocontacto en la piel. Las pantallas minerales, al ser polvos inertes, no son irritantes ni sensibilizantes pero otorgan a la piel un aspecto blanquecino que los hace menos cosméticos. Este efecto se ha mejorado bastante al utilizar partículas micronizadas (de 20 a 150nm), que reflejan menos la luz visible dando un aspecto más transparente. Por último, cabe destacar que la eficacia de los fotoprotectores aumenta con su aplicación frecuente (cada dos o tres horas), en forma homogénea y suficiente sobre la superficie de la piel expuesta.

Pedro Rovere. - Médico. Especialista en Dermatología.

2. 1. Cuando la luz pasa de un medio a otro

Cuando la luz pasa a través de la materia interacciona con esta y puede sufrir transformaciones.

En los medios transparentes, la luz, aparentemente, no es afectada y sigue su camino libremente. Por eso podemos ver a través de un objeto o medio transparente casi como si estos no existieran. Este es el caso del aire, del agua o de algunos vidrios.

Los materiales transparentes también transforman la luz, aunque aparentemente no se note. El efecto neto se manifiesta como una velocidad diferente a la de la luz en el vacío. Este cambio en velocidad es la causa del fenómeno conocido como refracción, que


FÍSICA

es un cambio en la dirección de la luz al pasar por la superficie que separa los medios de distinta densidad óptica.

Los medios transparentes también reflejan parte de la luz. Por eso los objetos transparentes no son del todo invisibles, ya que siempre alcanzamos a notar los reflejos o la refracción.

En otros materiales como aceite o miel observamos que la luz logra pasar, pero en forma difusa. La luz difusa no parece “venir” de un lugar determinado y no permite distinguir bien las imágenes. Estos medios los llamamos translúcidos. No podemos ver bien a través de ellos, pero sí vemos que pasa luz.

Los materiales translúcidos difunden mucho más la luz, hasta el punto en que, para espesores de unos pocos milímetros, ya no distinguimos las formas. Muchos líquidos que tenemos en la casa son translúcidos. En estos materiales se puede producir también una fuerte absorción de la luz. El efecto de difusión se puede lograr también si las superficies son bien irregulares, por ejemplo, en un vidrio esmerilado. Un medio puede ser transparente sólo para ciertos colores. Los otros son absorbidos. Las micas transparentes de colores absorben parte de la luz y sólo dejan pasar la luz de su propio color. Algo parecido ocurre con los anteojos para el sol.

Otros medios, como la mayoría de los sólidos, no dejan pasar la luz. No podemos ver nada a través de ellos. A estos se les llama opacos. Esto puede ocurrir porque la luz se refleja en la superficie, sin penetrar en el cuerpo, o porque es absorbida en las primeras capas del material.

En realidad los tres comportamientos pueden estar presentes a la vez y según el grado en que se presenten podemos clasificar los objetos. El aire, por ejemplo, deja pasar casi toda la luz que llega, lo clasificamos como transparente. Pero podemos notar que el aire difunde parte de la luz. De hecho, el aire difunde principalmente la luz azul. Por eso vemos el cielo de color azul. El polvo y las gotitas de agua microscópicas presentes en el aire aumentan la difusión y pueden absorber parte de la luz.

2. 2. ¿Pero cómo vemos los demás objetos?

Es sencillo, los podemos ver porque reflejan una parte de la luz que les llega, y se los llama cuerpos iluminados.

Los cuerpos “absorben” o reflejan parte de la energía radiante luminosa, definiendo el color de las sustancias:

● El pasto nos parece verde porque refleja el componente verde de la luz solar, mientras que absorbe los otros componentes.

● El cielo lo vemos azul porque las partículas atmosféricas desvían la luz hacia el extremo azul.


69FÍSICA

● Cuando el Sol está en el horizonte -durante su puesta o salida-, los rayos tienen que pasar un área atmosférica mayor, y el poder más intenso de penetración de la parte roja del espectro da como resultado esos tonos rojos de los atardeceres y amaneceres.

● Desde la Luna -carente de atmósfera propia-, sin partículas que dispersen la luz solar, el Sol parece un disco blanco brillante que reluce en un profundo cielo negro.

¿Por qué ven esta página que están leyendo blanca y las letras de color negro?

El agua es también transparente, pero difunde más que el aire. El agua suele tener sustancias, en suspensión o disueltas, que difunden y absorben buena parte de la luz. El grado de absorción depende de la distancia que atraviesa la luz. La luz absorbida se transforma en otra clase de energía, casi siempre en energía térmica, y ya no se observa ni siquiera como luz difusa. En el mar, por ejemplo, luego de unos cientos de metros de profundidad, no llega la luz.

Los materiales transparentes y los translúcidos se ven del color de la luz que difunden o si absorben parte de la luz, se observan del color no absorbido. Pero un objeto completamente transparente no exhibe ningún color, es incoloro. Con frecuencia vemos los objetos transparentes como de color blanco o gris. Esto se observa sobre todo en objetos pequeños. En estos casos el color aparente proviene de la luz difusa. La nieve, por ejemplo, está formada por cristales bien pequeños de hielo con aire entre ellos. El hielo es transparente. Pero con todas las reflexiones y refracciones, al entrar o salir la luz de cada cristal, conseguimos una luz difusa de color blanco. Algo similar se observa en un trozo de hielo lleno de burbujas de aire. En otros materiales como aceite o miel observamos que la luz logra pasar, pero en forma difusa. La luz difusa no parece “venir” de un lugar determinado y no permite distinguir bien las imágenes.


FÍSICA

ACTIVIDAD 39»Hagan un listado de objetos o cosas que puedan clasificar respecto de las características nombradas anteriormente. Por ejemplo:Transparente: el material con que están construidas las lentes orgánicas.

Color por transmisiónComo dijimos, algunos materiales transparentes absorben toda la gama de luces de colores, menos uno, que es el que permite que se transmita y de su color al material transparente. Por ejemplo, decimos que un vidrio es rojo porque absorbe todas las luces de colores menos el rojo.

La mayor parte de los materiales pueden absorber ciertas luces de colores y reflejar otras. El color, o los colores que reflejan, son los que percibimos como el color del cuerpo. Por ejemplo, un cuerpo es amarillo porque absorbe todas las luces de colores y sólo refleja el amarillo.

3. Los colores de las luces

Como dijimos, la luz blanca se compone de radiaciones de diversa longitud de onda, a cada una de las cuales le corresponde un determinado color.

Para componer la luz blanca no son necesarios todos los colores del espectro, estos pueden ser reducidos a tres colores básicos: el rojo, verde y azul.

Asimismo mezclando estos tres colores por parejas se pueden componer los restantes del espectro, (síntesis aditiva) el cyan, el magenta y el amarillo, con lo cual se determina que unos colores del espectro son primarios y otros son secundarios.

● Colores luz primarios: rojo, verde, azul.● Colores luz secundarios:amarillo (luz verde+luz roja), cyan (luz azul+luz verde), magenta (luz roja+luz azul).

3. 1. Los colores de los pigmentos

Diversas sustancias químicas tienen poder de absorción sobre las radiaciones de las cuales está compuesta la luz blanca, estas sustancias se llaman comúnmente pigmentos.

Cada tipo de pigmento tiene un poder selectivo propio, es decir absorbe una o varias radiaciones luminosas, la suma de pigmentos obtienen una mayor sustracción y en ciertas combinaciones se obtiene una sustracción total, que conduce a la ausencia de radiación, lo que percibimos como color negro.



71FÍSICA

EI fenómeno físico de la absorción parcial o total de la radiación luminosa se llama síntesis sustractiva.

Los colores base de la mezcla sustractiva son el amarillo, magenta y cian, pues su pigmento no proviene de la mezcla de otros y mediante la mezcla entre ellos se pueden obtener infinidad de gamas de otros colores.

La superposición de los tres da el negro.Color pigmento base: magenta, cian, amarillo.Calor pigmento complementario (opuestos en el círculo cromático):amarillo-violeta, magenta-verde, cian - rojo.

ACTIVIDAD 40»Entre en la siguiente dirección https://phet.colorado.edu/sims/html/color-vision/latest/color-vision_es.html y realice diferentes opciones entre luz de colores, luz blanca y utilizando los filtros..Luego utilicen las siguientes simulaciones: http://www.educaplus.org/game/colores-primarios-aditivos con la que podrá mezclar colores de luces. Les sugerimos que “mezcle” superponiendo los círculos.1) ¿Cuáles son los colores primarios?2) ¿Cómo se forma el amarillo?3) ¿Cómo se consigue el color blanco?4) ¿Y el color rosa?

http://www.educaplus.org/game/colores-primarios-sustractivos con la que podrá mezclar los pigmentos, de un modo similar al que componen el color las impresoras.1) ¿Cuáles son los colores primarios?2) ¿Cómo se forma el azul?3) ¿Cómo se consigue el color negro?4) ¿Y el color rojo?

Obligatoria


FÍSICA

ACTIVIDAD 41»a) Mirándose al espejo guiñen el ojo derecho: ¿Qué ojo “le guiña” la imagen del espejo? (Alicia, tal vez, pensaría que la imagen del espejo le está jugando una mala pasada y ¡guiña un ojo izquierdo igualito!

4. Los espejos

Para comenzar, les presentamos un fragmento de “A través del espejo y lo que Alicia encontró allí” de Lewis Carroll.

En esta obra, Alicia hace algunas reflexiones sobre la imagen de los espejos (sombreadas en el texto). Para analizarlas es necesario que utilicen un espejito de los llamados de cartera.

Mírense en él y compárenlo con lo que Alicia comenta sobre su habitación reflejada en el espejo:

“... Ahora que si me prestas atención, en lugar de hablar tanto, gatito, te contaré todas mis ideas sobre la casa del espejo. Primero, ahi estás en el cuarto que se ve al otro lado del espejo y inversa... todas menos la parte que está justo del otro lado de la chimenea. ¡Ay, como me gustaría ver ese rincón! Tengo tantas ganas de saber si ahi encienden el fuego en el invierno... en realidad nosotros desde aquí, nunca podremos saberlo, salvo cuando nuestro fuego empeiza a humear, porque entonces también sale humo del otro lado, en ese cuarto... pero eso puede ser solo un engaño para hacernos creer que también ellos tienen un fuego encendido ahí. Bueno, en todo caso, sus libros se parecen a los nuestros, pero tienen las palabras escritas al revés; y eso lo sé porque una vez levante uno de los nuestros espejos y entonces los del otro cuarto me mostraron uno de los suyos....¿Te gustaría vivir en la casa del espejo, gatito? Me pregunto si te darían leche allí, pero a lo mejor la leche del espejo no es buena para beber... pero ¡ay gatito, ahi está ya el corredor! Apenas si puede verse un poquitito del corredor de la casa del espejo, sis se deja la puerta de nuestro salón abierta de par en par y por lo que se alcanza a ver desde aquí se parece mucho al nuestro solo que, ya se sabe, puede que sea muy diferente más allá. ¡Ay gatito, que bonito sería si pudiéramos penetrar en la casa del espejo! ¡Estoy segura que ha de tener la mar de cosas bellas! Juguemos a que existe alguna manera de atravesar el espejo, juguemos a que el cristal se hace blando como si fuera gasa de forma que pudiéramos pasar a través. ¡¿Pero cómo?! ¡¡Si parece que se está empeñando ahora mismo y convirtiéndose en una especie de niebla!! ¡Apuesto a que ahora me sería muy fácil pasar a través! -Mientras decía esto, Alicia se encontró con que estaba encarnada sobre la repisa de la chimenea, aunque no podía acordarse de cómo había llegado hasta ahí. Y en efecto, el cristal del espejo se estaba disolviendo, deshaciéndose entre las manos de Alicia, como si fuera una bruma plateada y brillante. “

Extraído de “A través del espejp y lo que Alicia encontró allí” de Lewis Carroll.

Al mirarnos, nos vemos “del otro lado”. Esta imagen que parece estar adentro del espejo (como la “otra casa” de Alicia) se llama imagen virtual (Esto lo retomamos en: “¿Qué nos dicen los físicos sobre los espejos planos?”). Pero… ¿está realmente enfrentándonos?

Vamos a hacer la prueba:

b) Sin embargo, si escribimos alguna palabra en un papel de acetato (transparencia) y la enfrentamos al espejo, veremos que, al fin y al cabo, no se trata de “extraños seres” que nos muestran sus libros escritos al revés, sino de un efecto visual producto de que las imágenes en un espejo son: de igual forma, están a la misma distancia del espejo que el objeto real, pero aparecen invertidas. La palabra en el espejo se lee como la vemos a través de la transparencia.



73FÍSICA

4. 1. ¿Qué dicen los físicos sobre los espejos planos?

Para entender las características de los espejos planos, primero debemos comenzar analizando la “ley de reflexión”, que nos dice:

Cuando un rayo llega a un espejo y choca con su superficie, vuelve a salir de ella en un ángulo numéricamente igual al que venía, pero en sentido contrario.

En términos más formales podríamos decir lo siguiente:El rayo de luz que llega a una superficie pulida (espejo), se llama “rayo

incidente”. Este se refleja totalmente.Cuando abandona el espejo se llama “rayo reflejado”. Se puede trazar una

línea imaginaria llamada “normal”, perpendicular a la superficie del espejo, en el punto donde el rayo incidente choca con este.

Así, la línea normal, divide el ángulo entre el rayo incidente y el reflejado en dos ángulos iguales (como lo muestra la figura):

● ángulo de incidencia formado entre el rayo incidente y la normal y● el ángulo de reflexión formado entre la normal y el rayo reflejado. Esta ley dice que cuando un rayo incide sobre un espejo plano, el ángulo de

incidencia es igual al ángulo de reflexión.

¡Esto es muy importante! Porque nos permite establecer generalidades y podemos predecir tanto, el camino que van a seguir los rayos de luz que refleja un espejo, como la imagen que se va a formar en cada tipo de espejo.

Para “visualizar” mejor esta ley, les recomendamos hacer la siguiente actividad:

Necesitarán un espejito y un puntero laser de los que se compran en los kioscos a) Coloquen el espejo en posición vertical y luego ilumínenlo desde un costado con un puntero láser.¿Qué sucede? ¿Qué pasa si uno cambia el ángulo con el que el láser llega al espejo?b) Hagan una prueba: dibujen en un papel un rayo incidente que pasa exactamente sobre la normal: ¿Qué trayectoria realizará el rayo reflejado? Ahora prueben con el puntero láser y el espejo ¿Hicieron una buena predicción gracias a esta ley?

ACTIVIDAD 42»

4. 2. ¿Por qué vemos una imagen “adentro” del espejo?

Recapitulemos: Existen objetos luminosos, de los cuales salen rayos de luz y objetos iluminados de los cuales salen rayos por reflexión (parte de los rayos con los que se los ilumina, son “absorbidos” por el objeto).

Ahora bien, ya sea que los rayos son emitidos o reflejados por cualquier objeto, al interponer en el camino de esos rayos un espejo, estos se reflejaran totalmente siguiendo la “Ley de reflexión”.

La imagen parece venir “del otro lado del espejo” porque nuestros ojos captan una serie de rayos divergentes que salen rebotados desde el espejo. Nuestro cerebro interpreta que, siempre que los ojos reciben rayos de esa forma, hay un objeto del cual salen. Así, nuestra mente proyecta los rayos hacia atrás en el espejo, y nos da la sensación de que la imagen proviene del interior “profundo” de un espacio en el espejo.

Podríamos representar esto con la siguiente figura:




FÍSICA

ACTIVIDAD 43

ACTIVIDAD 44

»

»

La experiencia que realizarán a continuación permitirán observar un fenómeno óptico particular. Intenten describir lo mejor posible lo que está sucediendo sin asignar causas al fenómeno.● Coloquen agua en un vaso de vidrio transparente.● Introduzcan un lápiz o un sorbete en el vaso de forma oblicua, como se muestra en la imagen.

Otra experiencia:● Coloquen una moneda en el borde interno de un plato hondo (también se puede utilizar un vaso descartable opaco).● Ubíquesen al costado del plato y muévase hasta que el borde del plato no les permita ver más la moneda que hay dentro.● Pidan a otra persona que agregue agua lentamente en el plato.Sin moverse de su posición aparecerá “mágicamente la moneda ante sus ojos”.

● Observen la imagen del lápiz dentro y fuera del agua desde uno de los lados del vaso.● Describan lo observado, realizando un esquema o dibujo.

Noten que curiosamente las imágenes de los espejos parecen invertidas lateralmente pero no en sentido vertical (no aparecemos cabeza abajo cuando nos miramos al espejo… ¡por suerte!

Curiosidad:El espejo retrovisor interno del auto

¿Cómo funciona para evitar el deslumbramiento causado por las luces de los otros vehículos? Un sitio recomendado para visitar en Internet es:

http://curiosoperoinutil .com/2007/09/26/consultorio-cpi-retrovisores/

5. La refracción de la luz

En muchas ocasiones deben haber observado este tipo de fenómenos. Comenzaremos con una experiencia.


75FÍSICA

Describan lo observado.¿Qué sucede cuando la luz atraviesa otro medio material?¿Qué conclusiones pueden sacar de las experiencias realizadas?Contrasten sus conclusiones con el siguiente texto:Como vimos, cuando la luz pasa de un medio transparente aotro se produce un cambio en su dirección debido a la distinta velocidad de propagación que tiene la luz en los diferentes medios materiales.A este fenómeno se le llama refracción.Si dividimos la velocidad de la luz en el vacío respecto de la que tiene en un medio transparente, obtenemos un valor que llamamos índice de refracción de ese medio.

Si el índice de refracción del agua es n= 1,33, quiere decir que la luz es 1,33 veces más rápida en el vacío que en el agua.Por lo general cuando la luz llega a la superficie de separación entre los dos medios se producen simultáneamente la reflexión y la refracción.Si pasa de un medio de mayor índice de refracción a otro con menor índice de refracción (por ejemplo del diamante al agua o del agua al aire), el ángulo de refracción es mayor que el de incidencia.En éste último caso, si el ángulo de incidencia es mayor que la normal, ángulo límite, no se produce refracción, sino reflexión y se lo denomina reflexión total.Aplicaciones del fenómeno de reflexión:

El fenómeno de la reflexión total permite que podamos “canalizar” la luz a través de pequeñas varillas de diferentes sustancias que se denominan fibras ópticas.Las fibras ópticas se utilizan en muchos campos de la ciencia y de la tecnología. Por ejemplo:En medicina permiten ver órganos internos sin intervenciones quirúrgicas complejas.En las telecomunicaciones están alcanzando altos niveles de utilización ya que por una fibra del grosor de un cabello pueden transmitirse información de audio y video equivalente a 25.000 voces hablando simultáneamente. Algunos juguetes lámparas de adorno están construidos con fibras ópticas.

ACTIVIDAD 45»Les proponemos hacer algunas exploraciones:1) Con una lupa observen los objetos que se encuentran a su alrededor e intenten determinar cuántas veces más grandes se ven que a simple vista.Luego, tomen la medida de un objeto pequeño (largo), luego al mirarlo con la lupa midan su imagen, (virtual).El cociente entre la medida de la imagen y la medida del objeto dará como resultado el aumento de la lupa.

A = Tamaño imagen / tamaño objeto2) Coloquen una lámpara o reflector arriba de la mesa. Con la lupa traten de enfocar la fuente de luz para que aparezca como “un punto luminoso” sobre la mesa o la pared (en verdad no es un punto, va a formar la imagen del filamento o de la forma de la lámpara si no es transparente).Ciertamente, las lupas refractan la luz que pasa a través de ellas y este efecto está incrementado, a su vez, por la forma de los cristales que se utilizan como lentes.


FÍSICA

Una lente es un medio u objeto que concentra o dispersa rayos de luz.

Las lentes más comunes se basan en el distinto grado de refracción que experimentan los rayos de luz al incidir en puntos diferentes de la lente. Entre ellas están las utilizadas para corregir los problemas de visión en anteojos. También se usan lentes, o combinaciones de lentes y espejos, en telescopios y microscopios.

InformaciónUn resumen acerca de las lentesPara tener una primera idea acerca de las lentes les sugerimos ver el siguiente video:Lentes y espejos: https://www.youtube.com/watch?v=_7k4UtmQiAsEntonces:Una lente convergente hace las veces de lupa simple cuando el objeto está a una distancia de la lente menor que la distancia focal; entonces la imagen es virtual, está aumentada y es derecha.Cuando el objeto se encuentra a una distancia superior a la distancia focal, las lentes convergentes producen imágenes reales e invertidas. La posición de la imagen depende de lo cerca que esté el objeto del punto focal.Si está cerca del punto focal, la imagen aparece alejada (como en el caso de un proyector de diapositivas cañón de proyección o de películas).Si el objeto está alejado del punto focal, la imagen está más próxima (como en una cámara). Siempre que se forma una imagen real, el objeto y la imagen están en lados contrarios de la lente.Cuando se observa el objeto a través de una lente divergente, la imagen es virtual, reducida y está orientada en la misma dirección. Esto ocurre sin importar donde esté el objeto. Siempre que se forma una imagen virtual, el objeto y la imagen están del mismo lado de la lente.Algunos problemas en la visiónEl ojo “normal” es algo más bien ideal que común. Los ojos de gran parte de la población no se suelen encontrar en el rango general de visión comprendido entre 25cm y el infinito (donde alcance la vista). Dos de los defectos más comunes son la incapacidad de ver objetos lejanos y la incapacidad de ver objetos cercanos. Ambos defectos se pueden corregir en gran medida con anteojos o lentes de contacto.Veamos los problemas más comunes:La miopía consiste en la incapacidad de ver de lejos, se refiere al defecto del ojo que sólo puede enfocar objetos cercanos. El punto lejano no está en el infinito sino a una distancia más cercana, de modo que los objetos lejanos no se ven con claridad. Por lo general, la miopía es causada por un ojo cuyo globo está demasiado alargado, aunque en ocasiones es la curvatura de la córnea la que es demasiado grande. En cualquier caso, la imagen de los objetos lejanos se forma enfrente, delante de la retina. Una lente divergente, debido a que hace que los rayos paralelos se separen, permite que los rayos se enfoquen sobre la retina y, por consiguiente, corrige, este defecto.

BICONVEXA CONVEXACÓNCAVA

PLANOCÓNCAVA

PLANO CONVEXA

MENISCO BICÓNCAVA

Algunas versiones dicen que fué Galileo Galilei quién hizo las primeras observaciones sistemáticas del cielo con un telescopio, usando dos lentes convergentes.


77FÍSICA

La hipermetropía consiste en la incapacidad de ver de cerca, Se refiere al defecto del ojo que no puede enfocar los objetos cercanos. Aunque los objetos lejanos, por lo general, se pueden ver con claridad, el punto cercano está un poco más retirado de lo normal, lo cual hace que la lectura sea difícil. Este defecto es ocasionado por un ojo cuyo globo es muy corto o, con menos frecuencia, por una córnea que no tiene la curvatura suficiente. El defecto, se puede corregir mediante una lente convergente. Parecida a la hipermetropía es la presbicia, que se refiere a la disminución de la capacidad del ojo para acomodar, a medida que la persona envejece; el punto cercano se aleja. Las lentes convergentes también compensan esta falla.El astigmatismo es un defecto que ocurre cuando la córnea está más curvada en una dirección que en otra, lo cual hace que la imagen sea borrosa. Es como si la córnea fuera esférica con una sección cilíndrica superpuesta (como el costado de un tonel). El astigmatismo se corrige con el uso de una lente cilíndrica de compensación. Las lentes que se usan para corregir la miopía o la hipermetropía junto con el astigmatismo se fabrican con superficies cilíndricas y esféricas superpuestas, de modo que su radio de curvatura sea distinto para planos diferentes.



BIBLIOGRAFÍA Y WEBGRAFÍA

● Dirección General de Cultura y Educación, Gobierno de la Provincia de Buenos Aires. Resolución 737/07● Giancoli D. Física. Ed. Addison Wesley. 4ta edición. México 1997● Hecht E. Física en Perspectiva. Ed. Addison Wesley. México 1987● Hewitt,P: Física conceptual. Ed. Addison Wesley. 10ma edición. México 2007● Reasnik R, Halliday D, Kenneth S. Física. Volumen 1 y 2. Ed Continental, México. 3era edición. 1995.● Serway R. Faughn J. Física. ED. Pearson. México 2001.

Simuladores:● http://phet.colorado.edu/simulations/translations.php● http://www.educaplus.org/luz/color.html● http://www.meet-physics.net/David-Harrison/index_spa.html#em● http://www.walter-fendt.de/ph14s/

fÍsica - educacionadultos.com.arsica.pdf · movimiento rectilíneo uniformemente variado...

Documents