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¿Cómo enseñar el concepto de fuerza desde un punto de vista

cualitativo a estudiantes de la comunidad Kankuama?

Jaider Enrique Arias Arias

Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Bogotá, Colombia

2016

¿Cómo enseñar el concepto de fuerza desde un punto de vista cualitativo a estudiantes de la comunidad Kankuama?

¿Cómo enseñar el concepto de fuerza desde un punto de vista

cualitativo a estudiantes de la comunidad Kankuama?

Jaider Enrique Arias Arias

Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de:

Magister en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Director:

Dr. Rer. Nat. José Daniel Muñoz Castaño

Línea de Investigación:

Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias

Bogotá, Colombia

2016

Dedicatoria

A mi esposa, Diliana Paola, a mis hijos: Iván José y Jaider Jecid, a mis padres Rafael Enrique y Denis Beatriz, a mi abuela Laura Rosa (Q.E.P.D), por su incondicional apoyo y comprensión, permitiendo que este pensamiento se convirtiera en una realidad.

Agradecimientos Al profesor José Daniel Muñoz Castaño, por su permanente colaboración y disposición oportuna, por su gran humildad. Sus valiosos aportes para el desarrollo de este trabajo, contribuyeron a mi crecimiento profesional y personal. Agradezco a su esposa, Jazmine Escobar Pérez, por su asesoría y colaboración con el análisis de los resultados. A mis estudiantes del grado undécimo de la Institución Educativa San Isidro Labrador de Atánquez jornada única, por hacer posible el desarrollo de este trabajo. Al profesor de Etnoeducación Víctor Segundo Arias, por su constante apoyo y motivación, también por sus comentarios y aportes a este trabajo.

Resumen IX

Resumen

Enseñar fuerza de manera cualitativa permite que los estudiantes construyan el concepto y puedan predecir cómo cambia el movimiento de un cuerpo indiferentemente de que tengan o no una base matemática sólida. Además, utilizar las experiencias del entorno cultural y social del estudiante hace que el concepto le parezca más cercano y le permite aplicarlo a su entorno. Este trabajo diseña y pone a prueba una secuencia didáctica para la enseñanza del concepto cualitativo de fuerza dentro del Modelo Educativo Kankuamo. La secuencia propuesta introduce el concepto físico de fuerza a través de los objetos y actividades cotidianas que suceden en la comunidad, ayudando no sólo a identificar la acción de la fuerza en situaciones cercanas, sino también a reforzar la identidad cultural Kankuama. La secuencia consta de seis unidades didácticas que tratan los temas de primera ley de newton, segunda ley de Newton, tercera ley de Newton, fuerzas a distancia, fuerzas de contacto y aplicaciones de las leyes de Newton. Todos los temas se ilustran con experiencias cotidianas en el entorno Kankuamo, combinadas también con videos y experiencias universales, que se discuten utilizando la mayéutica como método, hasta lograr que cambien sus nociones previas del concepto de fuerza. La secuencia se implementó a lo largo de seis semanas con los estudiantes de grado undécimo de la Institución educativa oficial San Isidro Labrador de Atánquez, ubicada en el Resguardo Indígena Kankuamo, parte sur-oriental de la Sierra Nevada de Santa Marta, en el municipio de Valledupar, y se evaluó en un diseño pre-experimental con prueba inicial y prueba final. Los resultados muestran una mejora significativa en el desempeño de los estudiantes, al punto de que prácticamente todos los puntajes de la prueba final superan el máximo puntaje de la prueba inicial; además, las actividades desarrolladas aumentaron notablemente la motivación de los estudiantes. Este trabajo es un aporte significativo a la enseñanza de la ciencia dentro del Modelo Educativo Kankuamo, y un ejemplo exitoso de cómo integrar la ciencia al entorno social y cultural propio de una comunidad que piensa diferente. Palabras clave: Fuerza, cambio de movimiento, modelo educativo Kankuamo.


XII Abstract

Teaching force qualitatively allows students to build the concept and predict the motion of bodes without a solid mathematical basis. In addition, using experiences of the social and cultural environment brings the concept nearer to the student and allows him to apply it to diary phenomena. This work introduces and tests a didactic sequence to teach the qualitative aspects of the concept of force in the frame of the Kankuamo’s Education Model. The sequence introduces the physical concept of force through objects and daily activities of each community, helping the students not just to identify the action of forces in eceryday’s phenomena, but also to reinforce the Kankuamo’s cultural identity. The sequence has six didactic units, namely: first Newton’s Law, second Newton’s Law, third Newton’s Law, long-range forces, contact forces and applications. All subjects are illustrated by daily experiences from the Kankuamo’s culture, together with videos and more general experiences, which are discussed with the students using mayeutics as a method until obtaining the desired conceptual change. The sequence was implemented on six weeks with students of 11th grade at the San Isidro Labrador High School in Atánquez, in the Kankuamo’s territory, in the Santa Marta Paramounth, in Valledupar (Colombia), in a pre-experimental design with pre- and pos-test. The statistical analysis shows a significative improvement in student’s scores, and all scores in the pos-test are above the maximal score in the pretest. Moreover, the sequence’s activities improved the motivation among the students. This work is a significative contribution to the teaching of science in the Kankuamo’s Education Model and a successful example on how to integrate science with the cultural and social frame of a community with a different thinking. Keywords: force, change of momentum, Kankuamo’s Education Model.

Contenido XI

Contenido Pág. Resumen IX Lista de figuras XII Lista de tablas XIII 1. Introducción 1

2. Aspectos históricos y didácticos del concepto de Fuerza 5

2.1 Aspectos didácticos 7 3. Concepto de fuerza 9

3.1 Primera ley de Newton 9

3.2 Segunda ley de Newton ¿Qué es fuerza? 9

3.3 Tercera ley Newton 11

3.4 Fuerzas de contacto 11

3.5 Fuerzas a distancia 13

4. Propuesta didáctica 15 4.1 El concepto de fuerza en el entorno del modelo educativo Kankuamo 15 4.2 Secuencia Didáctica 17

5. Resultados 33 5.1 Marco de aplicación 33 5.2 Análisis estadísticos 33 5.3 Resultados cualitativos 36

6. Conclusiones y recomendaciones 37

Bibliografía 39 A. Anexo: preguntas sobre concepto de fuerza 41

B. Anexo: Test del concepto de Fuerza 43

C. Anexo: Actividad de preguntas abiertas sobre aplicación de las leyes de

Newton 49


LISTA DE FIGURAS Pág. Figura 2.1.1 Los cuatro elementos 5 Figura 2.1.2 El universo de Aristotélico 5 Figura 3.1 Primera Ley de Newton. Si un burro al galope frena y baja la cabeza, el jinete sigue moviéndose. (Dibujo realizado por una estudiante de undécimo) 9 Figura 3.2.1. Segunda Ley de Newton. Cambio en la velocidad producido por una fuerza. (Fuente: clase de José Daniel Muñoz) 10 Figura 3.2.2 Segunda Ley de Newton. Una fuerza lateral desvía el movimiento (Foto tomada en la en la cancha de la I.E. San Isidro Labrador) 10 Figura 3.3 Tercera Ley de Newton. Yo empujo el piso para que el piso me empuje, y salto. (Foto tomada en la cancha de futbol de la comunidad de Atánquez) 11 Figura 3.4.1 Fuerzas de contacto: Normal y fricción. (Fuente: clase de José Daniel Muñoz) 11 Figura 3.4.2. Fuerzas ejercidas sobre una persona que camina. (Fuente: clase de José Daniel Muñoz) 12 Figura 3.4.3 Fuerza de tensión de una cuerda, como unión de fuerzas de fricción. (Fuente: clase de José Daniel Muñoz) 13 Figura 3.5 Tiro parabólico. El peso como ejemplo de fuerza a distancia. (Fuente: clase de José Daniel Muñoz) 13 Figura 4.2.1 Estudiantes en piedra del rio. (Foto tomada en la piedra del rio Candela cerca de la institución educativa) 20 Figura 4.2.2 Dibujo de un burro hecho por la estudiante 21 Figura 4.2.3 vaso y una moneda. (Imagen tomada de internet) 21 Figura 4.2.4 Estudiantes aplicando Fuerza. (Foto tomada en la cancha de la institución educativa de Atánquez) 23 Figura 4.2.5 Estudiantes danzando el Chicote. (Foto tomada en la cancha de la institución de Atánquez) 24 Figura 4.2.6 Macaneo. (https://www.youtube.com/watch?v=nyk1fHqlFEk) 24 Figura 4.2.7 Estudiantes del grado undécimo Macaneando en el colegio. (Fotos tomadas bajo la sombra de un árbol por estudiantes de undécimo) 25 Figura 4.2.8 Estudiantes del grado undécimo en carrera de encostalado. (Foto tomada en la cancha de futbol de la comunidad de Atánquez) 27 Figura 4.2.9 Estudiantes del grado undécimo lanzando un balón. Se observa el movimiento parabólico del balón. (Foto tomada en la cancha del colegio) 29 Figura 4.2.10 Niñas del grado undécimo halando una cuerda. (Foto tomada en la cancha de futbol de la comunidad de Atánquez) 30 Figura 5.2.1 Histogramas de los puntajes obtenidos en el pre-test (izquierda) y en el pos-test (derecha) 33 Figura 5.2.2 Diagrama de cajas y bigotes para los puntajes totales del pre-test y el pos-test. Cada diagrama muestra cinco niveles, que aproximadamente corresponden al mínimo puntaje, al primer cuartil, a la mediana, al tercer cuartil y al máximo puntaje de cada distribución 35

https://www.youtube.com/watch?v=nyk1fHqlFEk

Contenido XIII

LISTA DE TABLAS Pág. Tabla 5.2.1 Prueba de consistencia interna para el test 33 Tabla 5.2.2 Estadísticos descriptivos para el pre-test y el pos-test 34 Tabla 5.2.3 Pruebas de normalidad para el pre-test y el pos-test 35 Tabla 5.2.4 Prueba de rangos con signo de Wilcoxon 36

1 Introducción

1. INTRODUCCIÓN

El concepto de fuerza es la base fundamental en el estudio de la Mecánica Newtoniana para explicar y predecir el movimiento de los cuerpos. Casi todas las teorías posteriores de la física, como las ondas o el electromagnetismo, se basan de una u otra manera en el concepto de fuerza. La fuerza es, además, la idea central detrás del funcionamiento de las máquinas y las herramientas, del vuelo de los pájaros o del movimiento de las palmas. Incluso, las tareas cotidianas como caminar o levantar objetos se explican a partir del concepto de fuerza y de las leyes que lo rigen. Estas leyes son en realidad sencillas de enunciar. Cuando un cuerpo ya está en movimiento no es necesario empujarlo, pues él solo sigue moviéndose (primera ley de Newton). Si cambia su movimiento, es porque alguien le aplicó fuerza. Las fuerzas son, entonces, los empujones o jalones que pueden cambiar el movimiento de los cuerpos (su velocidad). El cambio en la velocidad producido por una fuerza va en la dirección de la fuerza y es proporcional a ella y al tiempo que se aplica, pero inversamente proporcional a la masa (segunda ley de Newton). Y, finalmente, cuando un cuerpo aplica una fuerza a otro, este segundo cuerpo también aplica al mismo tiempo una fuerza al primero, de la misma intensidad y en la misma dirección, pero en sentido contrario (tercera ley de Newton). Sin embargo, lograr que los estudiantes acepten estas leyes y las apliquen correctamente para predecir el movimiento de los cuerpos suele ser un objetivo muy difícil de alcanzar. Por una parte, los estudiantes han construido a partir de su experiencia cotidiana teorías propias de cómo funcionan las fuerzas mucho antes que se les enseñe ciencias, y algunas de estas ideas van en contra de las leyes de Newton (Hestenes, 1992). Por ejemplo, ellos suelen argumentar que se necesita una acción para mantener algo en movimiento. Cuando se empuja un objeto, el empuje permanece dentro del objeto y este empuje se pierde cuando el objeto se para. Esta noción de acción influye en la comprensión de la mecánica clásica pero también infiere en otras áreas, (Driver, 1986). Muchos alumnos piensan, además, que todo movimiento implica una fuerza (Pozo, 1987) y que el movimiento siempre tiene lugar en la dirección de la fuerza resultante sobre un cuerpo (DiSessa, 1982). Por otra parte, se suele enseñar fuerza utilizando formalismos matemáticos y realizando predicciones numéricas. Esto impide que los estudiantes que tienen dificultades con álgebra, cálculo o trigonometría puedan entender los razonamientos del profesor y convencerse de que las leyes de Newton predicen bien. Una solución consiste en enseñar primero el concepto de fuerza manera cualitativa, enfocado desde las tres leyes de Newton, para luego sí utilizar matemáticas, hacer predicciones cuantitativas y tratar otros aspectos más detallados del concepto de fuerza. En efecto, sabemos que el pensamiento cualitativo juega un importante papel en gran parte de la resolución de problemas en física. Hay estudios que muestran que los expertos describen el problema de modo cualitativo en términos de conceptos físicos antes de producir una respuesta (Larkin, 1983). Los estudiantes pueden solucionar incorrectamente un problema


cuantitativo, no porque no puedan manipular las relaciones matemáticas, sino a causa de las dificultades conceptuales subyacentes (Gamble, 1986), dificultades conceptuales que se revelan de manera evidente cuando se les proponen problemas cualitativos. Enseñar fuerza de manera cualitativa permite en efecto que los estudiantes construyan el concepto y puedan predecir cómo cambia el movimiento de un cuerpo sin necesidad de tener una base matemática sólida. La labor se enfoca entonces en predecir cualitativamente el movimiento y discutir con los estudiantes lo que pasa en infinidad de casos hasta convencerlos, usando mayéutica para rebatir sus ideas previas (Rosales, 2012), complementada con montajes experimentales demostrativos en clase y herramientas TIC que pongan a prueba sus predicciones (Mosquera, 2012). Para que la enseñanza cualitativa funcione, se recomienda que las situaciones problema que se utilicen sean tomadas del entorno de los estudiantes (Driver, 1986) (Propio", 2013). Así, los estudiantes ven el concepto de fuerza como una idea intuitiva, y no como fórmulas matemáticas. Las matemáticas se pueden agregar después, para predecir el movimiento con mayor precisión. La enseñanza del concepto de fuerza en la comunidad Kankuama de la Sierra Nevada de Santa Marta no es ajena a estos problemas, y presenta también características únicas que requieren de ejemplos didácticos adecuados a su contexto. En efecto, las situaciones problema que son cotidianas para un estudiante de la ciudad no siempre lo son en La Sierra. Afortunadamente, gracias a la autonomía que le brinda los sistemas Educativo Indígenas Propios (SEIP) (Propio", 2013), la comunidad Kankuama ha implementado el modelo educativo propio Kankuamo, donde enseña asignaturas propias, además de las áreas obligatorias reglamentadas por Ministerio de Educación Nacional, MEN, en la ley 115 1994. Sin embargo, la asignatura de Física, y en especial el concepto de fuerza, se enseña siguiendo los lineamientos del MEN. Para enseñar fuerza se suelen seguir literalmente los contenidos del texto guía (por ejemplo, Física Investiguemos 10º), que define la fuerza con una fórmula (fuerza igual a masa por aceleración), e inmediatamente se pasa a usar matemáticas para resolver ejercicios, usando fórmulas y despejando ecuaciones, en situaciones ajenas a los estudiantes y sin desarrollar un trabajo cualitativo previo. Aunque los resultados en física no son malos, se espera que podrían mejorar con una estrategia de enseñanza cualitativa previa. Se plantea entonces la siguiente pregunta: ¿Cómo enseñar el concepto de fuerza desde un punto de vista cualitativo a estudiantes de la comunidad Kankuama? Para responderla, se propone diseñar e implementar una secuencia didáctica que introduzca el concepto físico de fuerza de manera cualitativa, complementando situaciones estándar de la cultura occidental, pero conocidas por los estudiantes, con objetos y actividades cotidianas que suceden en nuestra comunidad. De esta manera, se espera propiciar que los estudiantes entiendan la utilidad del este concepto físico e interpreten y predigan los fenómenos a su alrededor, además de ver reforzada su identidad cultural. La secuencia planeada consta de seis unidades, que se desarrollan a partir de preguntas generadoras, de la siguiente

3 Introducción

manera: 1) Primera ley de Newton. ¿Si nadie empuja los objetos, se seguirán moviendo?, 2) Segunda ley de Newton. ¿Qué entendemos por fuerza? ¿Sera que sentimos las fuerzas? ¿Por qué los cuerpos cambian su velocidad? 3) Tercera ley de Newton. Si las fuerzas son de la misma intensidad, ¿por qué el cambio en la velocidad es diferente? ¿Por qué debo empujar a otro para que él me empuje y cambie mi movimiento?, 4) Fuerzas de contacto. Normal, Fricción y Tensión, 5) Fuerzas a distancia. El peso ¿Hacia dónde van las fuerzas? 6) Aplicaciones de las leyes de Newton. El desarrollo de la propuesta busca que a partir de la construcción e implementación de la secuencia didáctica los estudiantes comprendan y se apropien de forma cualitativa del concepto de fuerza, específicamente en su relación con las tres leyes de Newton, pues es en ellas donde se concentran la mayor parte de los problemas de comprensión conceptual, lo que marca el límite de alcance del presente trabajo. Una vez lograda la comprensión cualitativa, se espera que en un trabajo posterior el estudiante pueda pasar a una etapa cuantitativa que le permita predecir con precisión numérica los movimientos que predijo antes de manera cualitativa, y que pueda tratar otros aspectos del concepto de fuerza, como por ejemplo los detalles de la fuerza de fricción seca, diagramas de cuerpo libre, el movimiento circular, las fuerzas elásticas, la ley de la gravitación universal, las fuerzas electromagnéticas o los conceptos de trabajo, energía y fuerzas conservativas, todos éstos temas de gran importancia, pero que se salen del marco de este trabajo. El trabajo se estructura de la siguiente manera. En el capítulo 2 se listan algunos aspectos históricos y didácticos del concepto de fuerza, pero manteniendo siempre una descripción cualitativa. El capítulo 3 enumera los aspectos disciplinares fundamentales del concepto de fuerza en el contexto de las leyes de Newton, tal como son presentados a los estudiantes, es decir, sin ecuaciones, siguiendo los lineamientos de trabajos anteriores que han probado ser efectivos en diferentes contextos. La propuesta didáctica se presenta en el capítulo 4 y los resultados de su aplicación, en el capítulo 5. El capítulo 6 resume los resultados más importantes y concluye alrededor de ellos.

5 Aspectos históricos y didácticos del concepto de fuerza

2. ASPECTOS HISTÓRICOS Y DIDÁCTICOS DEL CONCEPTO DE FUERZA

Uno de los primeros en construir una teoría del movimiento fue el filósofo griego

Aristóteles (Estagira 384 – Calcis 322 a. C). Para Aristóteles, la caída de los

cuerpos obedecía a su movimiento natural, es decir a que buscaban su lugar de

origen, dependiendo del elemento mayoritario que los constituía: tierra en el fondo,

luego agua, más arriba, aire, y encima de todo, fuego. Afirmaba que el peso (o

gravedad) de un cuerpo y la resistencia del medio en que se mueve hacían que su

velocidad de caída fuera proporcional a su peso, y que todos los cuerpos caerían

a igual velocidad con independencia de su peso sólo en el vacío (algo que para él

no podía existir). Aristóteles clasificó los movimientos en naturales y violentos: la

caída de una piedra, el ascenso del vapor de agua y una gota de lluvia sigue un

movimiento natural hacia su lugar de origen, mientras que un movimiento violento,

que desvía al cuerpo de su movimiento natural, necesita de una fuerza impulsora.

Sin fuerza impulsora el movimiento horizontal era, por tanto, imposible (Hewitt,

2007).

Figura 2.1.1 Los cuatro elementos. Figura 2.1.2 El universo de Aristotélico.

Pasaron 18 siglos para aclarar la idea de que el movimiento constante era el

estado natural de los cuerpos, y que un cuerpo en movimiento se moverá siempre,

excepto que alguna fuerza lo retarde o lo frene (es decir, el concepto de inercia

propuesto por Galileo). La historia comienza en el siglo VI, cuando Juan Filipón

propone la primera idea de inercia, al decir que un cuerpo en movimiento adquiere

algún tipo de fuerza motriz cuando se pone en movimiento. Luego, en 1330, Jean

Buridán llama ímpetu a esa fuerza motriz, y concluye que era proporcional a su

cantidad de materia (m) y a su rapidez (v). Su discípulo Oresme propuso en 1350

que la velocidad en caída libre crece linealmente con el tiempo, y usó un dibujo

con un eje de tiempo y un eje de velocidad para probar que la distancia recorrida

en una parte de la caída era igual a la que habría recorrido si hubiese mantenido

una velocidad constante igual a la mitad de la velocidad en el intervalo, un

resultado se conoce como el teorema de la rapidez media de Merton (Hewitt,

2007).


El más grande precursor de la ciencia moderna, Galileo Galilei (1564 – 1642),

cuestionó fulminantemente las doctrinas Aristotélicas acerca del movimiento, al

proponer que dos esferas de diferente masa deberían caer con la misma

velocidad. Además, para comprobar la hipótesis de Oresme, Galileo hizo rodar las

esferas sobre planos inclinados para ralentizar el movimiento y poder medir las

distancias recorridas, pues Galileo dedujo que si la velocidad en la caída libre

crecía linealmente con el tiempo, la distancia recorrida debería crecer

cuadráticamente con él. De esta forma, Galileo dio origen a la ciencia

experimental, como la conocemos hoy día. (Ibídem)

En cuanto al movimiento forzado propuesto por Aristóteles, la concepción de

Galileo es completamente diferente. Para Galileo, si un cuerpo se mueve sobre

una superficie horizontal sin rozamiento, mantendrá siempre la misma velocidad, y

no habrá necesidad de empujarlo para que se siga moviendo. El razonamiento

que hace Galileo es muy sencillo. Considere una esfera rodando por un plano

inclinado sin fricción alguna. Si el plano está inclinado hacia abajo, la esfera

acelerará; y si plano está inclinado hacia arriba, la esfera se frenará. Luego, si está

horizontal, el cuerpo no debe ni acelerar ni frenar, sino que debe mantenerse a

velocidad constante. (Ibídem). Concluye así que, sobre un plano horizontal bien

pulido (sin fricción), la esfera rodaría infinitamente a ritmo constante, sin acelerar

ni frenar, describiendo un movimiento rectilíneo uniforme (conocido como la ley de

la inercia). Esta ley no fue tan aceptada por algunos de los contemporáneos de

Galileo. Sólo René Descartes, en sus principios de filosofía (1644), presenta esta

ley diciendo que “todo cuerpo que se mueve tiende a continuar su movimiento en

línea recta”. Esta ley cambió por completo la milenaria concepción del sentido

común de Aristóteles, que decía que para que un cuerpo estuviera en constante

movimiento era necesario un empuje continuo.

En el siglo XVII tenemos a un científico que, por su brillantez, logra interpretar las

interacciones entre los cuerpos y su movimiento: Isaac Newton (1642 – 1727),

quien en 1687 condensó en su obra maestra: los principios matemáticos de la

filosofía natural, su teoría del movimiento, catalogada por muchos como la obra

más revolucionaria de todos los tiempos. En los Principia, Newton hace un

riguroso tratado del movimiento, basándose en los conceptos de inercia y

aceleración propuestos por Galileo, y enuncia una ley de gravitación universal que

predice perfectamente las leyes de Kepler.

En su teoría del movimiento, Newton reconoció la importancia fundamental que

tenía la masa. Para Descartes, igual que para Buridán y para Galileo, la cantidad

de movimiento estaba relacionada con el producto de la cantidad de materia (la

masa) con la rapidez. En su Primera Ley, Newton reafirma la idea de inercia: un

cuerpo sin interacciones externas mantiene su cantidad de movimiento. En la

Segunda Ley, Newton nos dice cómo cambia el movimiento por efecto de una


fuerza: proporcional a la fuerza ejercida y al tiempo que se ejerce esa fuerza. Por

lo tanto, las fuerzas son los empujones o jalones que pueden cambiar el

movimiento. La ley de la inercia acaba con la concepción Aristotélica que sostenía

que las fuerzas eran necesarias para mantener el movimiento, es decir que son

causas del movimiento, mientras que para Newton las fuerzas son causas del

cambio de movimiento (Holton, 1989).

La tercera ley, acción y reacción, nos dice que siempre que dos cuerpos

interactúan, las fuerzas que se hacen mutuamente tienen la misma magnitud y la

misma dirección, pero sentido contrario. Los efectos sobre la velocidad de los dos

cuerpos (aceleración, frenado o desvío) que hacen estas fuerzas de igual

magnitud son diferentes, porque la masa de cada cuerpo es diferente, pero el

cambio en la cantidad de movimiento es el mismo. Finalmente, el corolario nos

indica que, para calcular la fuerza neta, las fuerzas aplicadas sobre un mismo

cuerpo se suman usando la ley del paralelogramo (es decir, como vectores, a

pesar de que el concepto de vector como tal no aparece sino a inicios de siglo

XX). La mecánica de Newton ha sido la base para predecir el movimiento de todos

los fenómenos cotidianos desde entonces (Ibídem).

2.1 Aspectos didácticos

Muchas son las investigaciones que se han hecho acerca de la enseñanza del

concepto de fuerza. Según Hestenes (autor del Force Concept Inventory, que es

un test de preguntas cualitativas para estimar la comprensión del concepto de

fuerza) (Hestenes, 1992), cada estudiante comienza con un sistema de creencias

de sentido común bien establecido sobre cómo funciona el mundo físico, producto

de sus años de experiencia personal. Su investigación establece que estas

creencias juegan un papel dominante. En concreto, ha establecido que (1), esas

creencias de sentido común acerca de movimiento y la fuerza son incompatibles

con los conceptos newtonianos; (2), que la enseñanza convencional de la física

produce poco cambio en estas creencias, y (3), que este resultado es

independiente del instructor y el modo de instrucción. Las implicaciones no

podrían ser más graves. Al no entender el concepto, los estudiantes escogen

memorizar los pasos que necesitan para solucionar los problemas numéricos.

Una de las creencias de sentido común más arraigadas en los estudiantes es que

ellos argumentan que se necesita una acción para mantener algo en movimiento.

Creen, además, que cuando se empuja un objeto, el empuje permanece dentro del

objeto y este empuje se pierde cuando el objeto se para. Esta noción de acción

influye en la comprensión de la mecánica clásica pero también influencia otras

áreas, (Driver, 1986). Se sabe que muchos alumnos piensan que todo movimiento

implica una fuerza (Pozo, 1987) y que el movimiento siempre tiene lugar en la

dirección de la fuerza resultante sobre un cuerpo (DiSessa, 1982).


En su trabajo final de Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

- Bogotá “Dificultades en la Interpretación del concepto de Fuerza en estudiantes

de grado décimo. Una propuesta didáctica para abordar la problemática”, Yorlady

García dice que uno de los obstáculos de la enseñanza de la dinámica es

precisamente la dificultad que tiene el estudiante de asociar el concepto de fuerza

con cambio de movimiento. Su propuesta consiste entonces en enseñar fuerza a

partir de la solución algebraica de situaciones gráficas, recreadas y

experimentales en las que la fuerza cambia el movimiento. La propuesta se

implementó en el colegio Francisco de Paula Santander, localidad de Kennedy, en

Bogotá, pero los resultados no son alentadores, pues falta la parte cualitativa para

desarrollar la intuición (García, 2011).

En efecto, sabemos que el pensamiento cualitativo juega un importante papel en

gran parte de la resolución de problemas en física. Hay estudios que muestran

que los expertos describen el problema de modo cualitativo en términos de

conceptos físicos antes de producir una respuesta (Larkin, 1983). Los estudiantes

pueden solucionar incorrectamente un problema cuantitativo no porque no puedan

manipular las relaciones matemáticas sino a causa de las dificultades

conceptuales subyacentes (Gamble, 1986), dificultades conceptuales que se

revelan de manera evidente cuando se les proponen problemas cualitativos.

En su trabajo final de Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales

- Bogotá, ¿Es importante el orden de aborda la mecánica?, José Moisés Rosales

Romero muestra que se pueden obtener excelentes resultados en la comprensión

si se enseña de forma cualitativa el concepto de fuerza antes de enseñar

aceleración, y que la mayéutica (es decir, el diálogo continuo con el estudiante con

base en preguntas) funciona correctamente como estrategia para cambiar las

teorías intuitivas de sentido común que trae el estudiante acerca del concepto de

fuerza (Rosales, 2012). Igualmente, Yamid Mosquera Medina, en su trabajo

titulado La segunda ley de Newton: propuesta didáctica para estudiantes del grado

décimo de educación media de la escuela normal superior de Neiva muestra que

la enseñanza cualitativa del concepto de fuerza funciona efectivamente para lograr

que los estudiantes construyan el concepto correctamente. En su propuesta

incluye actividades donde los estudiantes son los protagonistas, y las ideas

previas se trabajan con discusiones mayéuticas alrededor de situaciones

problemas y con montajes experimentales demostrativos en clase,

complementados, además, con herramientas TIC. Al aplicar el test Force Concept

Inventory antes y después de su implementación, evidencia una mejoría

estadísticamente significativa en los puntajes obtenidos por los estudiantes. Los

estudiantes mejoran, además, su capacidad de argumentación, y la mayoría

cambian sus ideas previas de los conceptos de fuerza y movimiento. (Mosquera,

2012).


Enseñar fuerza de manera cualitativa permite que los estudiantes construyan el concepto y puedan predecir cómo cambia el movimiento de un cuerpo sin necesidad de tener una base matemática sólida. De esta manera, se logra que los estudiantes vean los conceptos de la física como ideas intuitivas, y no como fórmulas, y que más estudiantes puedan entenderlo. Las matemáticas se convierten, entonces, simplemente en una herramienta que se aprende posteriormente para predecir el movimiento con mayor precisión.

11 Concepto de fuerza

3. EL CONCEPTO DE FUERZA

3.1 Primera ley de Newton: “Todo cuerpo continúa en su estado de reposo o movimiento uniforme en línea

recta, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por fuerzas que actúan

sobre él” (Newton, 2011). A esta primera ley se le llama ley de la inercia (Sears,

2009). Un cuerpo sin interacciones externas mantiene su cantidad de movimiento.

Cuando un cuerpo ya está en movimiento no es necesario empujarlo para que se

siga moviendo, él solo sigue moviéndose (primera ley de Newton). Esta ley postula

(Sears, 2009) que un cuerpo no necesita que le hagan fuerza para mantenerse en

movimiento. Si la fuerza neta sobre un cuerpo es cero, el movimiento de su centro

de masa no cambia. Si el centro de masa inicia en reposo, sigue en reposo; y si se

estaba moviendo, mantiene su velocidad, en magnitud y dirección (Cuntell, 1999).

Si estás parado, quieto, y nada te empuja, seguirás quieto. Pero, si hay algo que

te empuja, comenzarás a moverte en la dirección en que te empujaron. Por otro

lado, si te estás moviendo en una superficie plana sin que nada te empuje o te

frene, continuarás avanzando en línea recta. Si te frenas, es porque alguien te

frenó (el piso, la mesa, etc.). Esto es lo que pasa, por ejemplo, cuando se raspa

una hoja de maguey con el palo de makana. La fuerza de fricción de la hoja frena

el palín hasta detenerlo.

Esto es más evidente dentro de una nave en el

espacio, donde todos los cuerpos están en caída

libre y la fuerza gravitacional, como fuerza ficticia,

deja de existir (Misner, 1973). En el marco de

referencia de la nave, los cuerpos pueden flotar

solos, sin que nadie les haga fuerza. Por ello, los

cuerpos en el espacio flotan en línea recta,

manteniendo su velocidad. En La Tierra, este

mismo efecto se puede hacer evidente de muchas

maneras. Por ejemplo, si voy cabalgando a pelo

en un burro y este frena y agacha la cabeza, yo

sigo con el movimiento que traía, deslizándome sobre el cuello del burro, porque la

fuerza de fricción es insuficiente para frenarme.

3.2 Segunda ley de Newton ¿Qué es fuerza?: Las fuerzas son los empujones o jalones que pueden cambiar el movimiento. Si la

fuerza total que actúa sobre un cuerpo no es nula, la velocidad del cuerpo cambia,

acelerando, frenando o desviándose (Figura 3.2.1). El cambio de la velocidad

∆�⃗� = �⃗� despues − �⃗� antes, entendido como la diferencia vectorial entre la velocidad

�⃗� despues que alcanza el centro de masa del cuerpo después de haberse ejercido la

fuerza menos la velocidad �⃗� antes que tenía antes de ejercer esa fuerza, va en

Figura 3.1 Primera Ley de Newton. Si un

burro al galope frena y baja la cabeza, el

jinete sigue moviéndose.


dirección de la fuerza total aplicada, y depende no solamente de esta fuerza 𝐹 ,

sino de cuánto tiempo ∆𝑡 hago esa fuerza. Al producto de la fuerza aplicada

multiplicada por el tiempo que se aplica lo llamamos impulso, 𝐼 = 𝐹 ⃗⃗ ⃗ ∙ ∆𝑡. El

cambio de la cantidad de movimiento de un cuerpo es igual a la suma de los

impulsos ejercidos por todas las fuerzas que actúan sobre él, ∑ 𝐼 = ∑𝐹 ∙ ∆𝑡. El

cambio de velocidad también depende de la masa del cuerpo: entre más grande

sea su masa 𝑚, menos cambia su velocidad. Como movimiento de un cuerpo, o

momentum, es igual al producto de la masa por la velocidad, el cambio en el

movimiento puede darse porque cambia la masa o porque cambia la velocidad. Si

la masa es constante, se obtiene 𝐹 ∆𝑡 = 𝑚∆�⃗� . (Figura 3.2.1)

Figura 3.2.1. Segunda Ley de Newton. Cambio en la velocidad producido por una fuerza (Tomado

de Enseñanza de la Mecánica y Física Térmica, José Daniel Muñoz 2015).

Por lo tanto ∆�⃗� =𝐹 ∆𝑡

𝑚 . Esta es, en esencia, la Secunda Ley de Newton. En efecto,

a partir de esta igualdad se puede obtener que 𝐹 = 𝑚∆�⃗⃗�

∆𝑡 , y como

∆𝑉

∆𝑡 = 𝑎

(aceleración), de esta manera se obtiene definición clásica de la segunda ley de

Newton, 𝐹 = 𝑚𝑎 , que no aparece en los Principios Matemáticos de la Filosofía

Natural de Newton, sino es obra del matemático Leonhar Euler. Esta definición

clásica es muy tradicional y se encuentra en muchos libros, pero la forma original,

la que relaciona fuerza con cambio de movimiento, es más intuitiva y ha probado

ser más adecuada para la enseñanza de este concepto (Mosquera, 2012).

Los únicos que pueden hacer fuerza son los cuerpos, animados o inanimados, es decir la mesa, el piso, una persona, la cuerda, La Tierra, El Sol, etc. Muchos de los experimentos que sirven como ejemplos de la primera ley de Newton, como por ejemplo en el truco del mantel, que se jala tan rápido que los platos sobre él casi no se

mueven, se basan en hacer que el impulso 𝐹 ∆𝑡 sea pequeño, lo que se logra haciendo que la

Figura 3.2.2 Segunda Ley de Newton. Una

fuerza lateral desvía el movimiento.


fuerza 𝐹 sea pequeña pero especialmente haciendo que el tiempo ∆𝑡 que se ejerce la fuerza sea muy, muy pequeño. La segunda ley de Newton nos dice, entonces que la velocidad casi no se ve alterada (Griffith, 2008).

3.3 Tercera ley Newton: Si el cuerpo A ejerce una fuerza sobre el cuerpo B (una “acción”), entonces, B ejerce una fuerza sobre A (una “reacción”). Estas dos fuerzas tienen la misma magnitud, pero direcciones opuestas, y actúan sobre cuerpos diferentes. Esta es la tercera ley de Newton (Sears, 2009). Las dos fuerzas son iguales en magnitud siempre, no importa si un cuerpo es más pesado que el otro, o si uno es el que jala y el otro no, o si están acelerando, frenando o desviando. Siempre son de igual magnitud. El efecto de estas fuerzas sobre los dos cuerpos es diferente, porque el cambio en la velocidad depende de la masa de cada cuerpo, pero las fuerzas son siempre de igual magnitud. Un cuerpo no se puede hacer fuerza a sí mismo para cambiar el movimiento de su propio centro de masas. Entonces, ¿cómo puedo cambiar el movimiento de mi centro de masa? La única forma de hacerlo es empujar a otros para que ellos, por efecto de la tercera ley de Newton, me empujen a mí. Yo empujo al piso para que el piso me empuje. Así, empujando el piso hacia atrás, el piso me empuja hacia delante, y comienzo a moverme caminando. (Griffith, 2008) Si empujo el piso con una fuerza mayor que mi peso, el piso me empuja a mí con una fuerza mayor que mi peso. La suma de fuerzas sobre mí resulta hacia arriba, y por lo tanto paso del reposo a tener una velocidad hacia arriba. Así inicio el salto (Figura 3.3).

3.4 Fuerzas de contacto: En todo contacto físico entre dos cuerpos aparece una fuerza. Esta fuerza es de origen electromagnético: los electrones de un cuerpo repelen a los electrones del otro. Nuestras manos y nuestros cuerpos están llenos de sensores para estas fuerzas: las fuerzas de contacto se sienten. Si el contacto cesa, cesa la fuerza de contacto y cesa su efecto. Las fuerzas de contacto no se van pegadas a los cuerpos sobre las que se hicieron. Por

Figura 3.3 Tercera Ley de Newton. Yo empujo el

piso para que el piso me empuje, y salto.

Figura 3.4.1 Fuerzas de contacto: Normal y fricción.


comodidad, siempre descomponemos la fuerza de contacto como la suma de dos fuerzas: fuerza normal y fuerza de fricción1,2. Por supuesto, en algunos casos alguna de estas componentes puede ser cero (Figura 3.4.1). La Fuerza normal es la componente de la fuerza de contacto que va perpendicular a la superficie de contacto. Es la que sentimos en nuestros pies cuando estamos parados o en la palma de las manos cuando empujamos algo. Esta es la fuerza que equilibra el peso de un objeto que sostenemos sobre la palma de la mano, y es también la fuerza que hace hacia arriba una mesa sobre un objeto depositado sobre su superficie (Figura 3.4.1). La Fuerza de rozamiento o fricción es la componente de la fuerza de contacto que va paralela a la superficie. Contrario a lo que se cree, no siempre va en dirección contraria al movimiento de los cuerpos. Por ejemplo, la fuerza que me impulsa a mí al comenzar a caminar es una fuerza de fricción que me hace el piso en el pie, y va hacia delante (en la dirección en que camino), pero si freno, empujando el piso hacia delante, la fuerza de fricción que me hace el piso va hacia atrás (en contra de mi movimiento) y me frena (Figura 3.4.2). La fuerza de fricción va es en contra del deslizamiento relativo de las superficies en contacto. La fuerza de fricción puede ser estática, cuando las superficies no se deslizan, o cinética, cuando las superficies se deslizan. Si la superficie de contacto no es plana, se divide en multitud de pedacitos pequeños, cada uno aproximadamente plano, y en cada uno se define una fuerza normal y una fuerza de fricción (Figura 3.4.3). Esta división de la fuerza de contacto en dos: normal y rozamiento, sigue siendo válida en los fluidos: la fuerza normal corresponde en este caso a la presión, y la fuerza de rozamiento, a la viscosidad. La Fuerza de tensión es la que hace una cuerda, un cable o un resorte. Esta fuerza nos permite halar los cuerpos pero no empujarlos, va en dirección de la cuerda y es la misma en todos los puntos de la cuerda. Esta es una fuerza de contacto, y por lo tanto es una combinación de fuerzas normales y de fricción. Por ejemplo, cuando apretamos un lazo con la mano y lo jalamos, la superficie de contacto entre la mano y el lazo se puede dividir en infinidad de pequeñas superficies planas, cada una con una fuerza normal y una fuerza de fricción (Fig. 3.4.3). Las normales se anulan, mientras que las fuerzas de fricción que el lazo le hace a la mano se suman para formar la fuerza de tensión1.

1 Si la cuerda es elástica, la tensión es proporcional a la deformación, y la fuerza de fricción, que es la misma tensión, seguirá también este comportamiento. La misma fuerza, ejercida por el lazo,

Figura 3.4.2. Fuerzas ejercidas sobre

una persona que camina.


Figura 3.4.3 Fuerza de tensión de una cuerda, como unión de fuerzas de fricción.

3.5 Fuerzas a distancia: Las fuerzas a distancia son las que actúan sobre un cuerpo aunque no haya contacto con él. Como ejemplo tenemos la fuerza gravitacional, que se ejerce entre todos los cuerpos que tengan masa. La fuerza gravitacional ejercida por La Tierra es la responsable de la caída libre y del tiro parabólico, pero también de mantener a La Luna girando alrededor de La Tierra y a ésta, alrededor del Sol. Si lanzo una piedra hacia arriba, la fuerza gravitacional ejercida por La Tierra (también llamada peso) la frena hasta detenerla y la trae de regreso al suelo, igual que cuando un niño arranca a correr, pero yo lo freno jalándolo hacia atrás con un lazo atado a su cintura. Si el niño se mueve en diagonal, y yo lo jalo siempre en la misma dirección (Figura 3.5) y con la misma fuerza, lo fuerzo a describir una parábola. Lo mismo pasa con la piedra, si la lanzo formando un ángulo agudo con el piso. De esta manera, ilustramos que una sola fuerza constante, el peso, es suficiente para explicar el tiro parabólico (Serway, 2008). Otra fuerza a distancia es la Fuerza electromagnética, que se hace entre los cuerpos cargados, como los electrones. La fuerza electromagnética es la encargada de mantener unidos los átomos y las moléculas, y controla las podría recibir entonces tres nombres diferentes: tensión, fricción o elástica, dependiendo del aspecto que queremos enfatizar, así: si es de la cuerda, si es una fuerza de contacto tangente o si es ejercida por un objeto elástico, respectivamente.

Figura 3.5 Descripción de cómo una fuerza constante

en magnitud y dirección (en rojo) genera un

movimiento parabólico. A lo largo de cada intervalo de

tiempo de 2 segundos, la fuerza genera un cambio en

la velocidad (en azul), que se suma a la velocidad que

llevaba el cuerpo para dar lugar a la nueva velocidad

al final del intervalo (suma que se representa en cada

paralelogramo). En la figura, se asume una masa de

1kg. (Figura 3.5 tomada de la clase de Enseñanza de

la Mecánica y Física Térmica José Muñoz 2015).


interacciones entre ellos. Ejemplos son los imanes, y la fuerza de atracción que ejerce una peinilla frotada sobre pequeños trozos de papel. De hecho, todas las fuerzas de contacto, cuando se ven a nivel nanoscópico, son fuerzas electromagnéticas que se ejercen a distancia, pero a distancias de algunos Amstrongs.

17 Propuesta Didáctica

4. PROPUESTA DIDACTICA

4.1 El concepto de fuerza en el entorno del Modelo Educativo Kankuamo.

Cuando hablamos del Modelo Educativo Kankuamo nos referimos al Makú-Jogúki, u Ordenamiento Educativo. Este ordenamiento se acoge a los principio de orden de la Ley de Origen, que rige la concepción de vida en la comunidad indígena del pueblo Kankuamo, y es el producto de la racionalización de una búsqueda coherente y colectiva para articular la Educación Propia con la escolarización convencional y formar integralmente a la población en aspectos espirituales, culturales y políticos a partir de los principios de la naturaleza, del conocimiento y de reapropiación de los valores serranos. Para realizarlo, partimos desde los conocimientos propios para llegar al conocimiento intercultural donde están insertas las normas y leyes que rigen todo lo referente a la educación local y nacional. Así, trazamos la ruta de nuestra educación teniendo en cuenta las necesidades educativas y los ideales de los Kankuamos que queremos formar a partir de la construcción colectiva, fundamentados en la Ley de Origen, los elementos de nuestra cultura y las necesidades de fortalecimiento político y económico.

“Todos los espacios y tiempos que vivimos se convierten en proceso pedagógico”

“La Ley de Se es ley de conocimiento y el cumplimiento en espíritu de las leyes que mantienen en orden el universo. A los pueblos indígenas de la sierra nos dejaron la ley y la misión de pagar los tributos de todo cuanto existe, los árboles, agua, piedra, lluvia, atmósfera, laguna, y todos los Mamus recibieron este compromiso. Esta Ley es el principio y la creación de la ley de origen espiritual, es el pensamiento de nuestra “Ley de Origen” la protección, la construcción permanente para nuestra fortaleza, es en últimas el ciclo de la vida2”.

Para el pueblo indígena Kankuamo, la educación propia es aquélla en que se da cumplimiento a la Ley de Origen y en la que se acude a la tradición oral, la memoria, la familia, la comunidad y el trabajo colectivo. Implica todo aquello que se aprende cuando se está atento a la naturaleza misma, unido a los conocimientos y dones de las personas que dan buen uso a su sabiduría y a su inteligencia. Así, consolida una formación integral soportada en valores como el respeto por la naturaleza, por la comunidad, por la tradición y por la propia persona. Kankuamos somos todos los que descendemos de la Sierra, que sentimos nuestra cultura Kankuama y que tenemos sentido de pertenencia con ella y con el territorio. Nosotros somos indígenas culturizados por la sociedad occidental, pero luchamos por persistir, mantener, fortalecer y recuperar nuestra cultura utilizando herramientas de la misma educación que nos culturizó. Claro que hoy tratamos de hacerlo de manera consciente y elocuente para establecer un proceso real de autonomía (Jokúki, 2008, pág. 13 - 33).

2 Declaración conjunta de los Cuatro Pueblos Indígenas de la Sierra Nevada de Santa Marta. Bongá, Diciembre de 1999.


La propuesta que se presenta en este documento se desarrolló para los estudiantes del grado undécimo, jornada de la mañana, de la Institución Educativa oficial San Isidro Labrador de Atánquez, ubicada en el Resguardo Indígena Kankuamo, parte sur-oriental de la Sierra Nevada de Santa Marta, en el municipio de Valledupar. La institución es la más grande de las tres instituciones del resguardo, funciona en 3 sedes y atiende 828 estudiantes. La propuesta se puso a prueba con los 22 estudiantes del grado undécimo, cuyas edades oscilan entre 15 y 17 años. La comunidad estudiantil objeto de esta investigación no es ajena a la cultura occidental, pues tenemos acceso a la televisión, el internet, nos transportamos en automóviles y motos, y a los niños les emociona andar en patines o patinetas. Todos éstos son elementos que usamos, que aunque no hagan parte de nuestra cultura, también nos sirven para ilustrar los conceptos asociados a las leyes de Newton y aprovecharlos después para poder comprender el funcionamiento de experimentos ligados a nuestro contexto sociocultural. El concepto de fuerza (Kúma) es un concepto cotidiano (empujar, jalar, cargar). En nuestra cultura, se identifica que cuando alguien está trabajando, está haciendo fuerza. Es importante enseñar fuerza porque es un factor primordial para trabajar, pues con la fuerza empujamos, jalamos, cargamos, tejemos. Cada instante, desde el momento que nos levantamos hasta el momento de descansar, estamos haciendo fuerza. En nuestra comunidad todos los días estamos haciendo fuerza, en la construcción de viviendas ceremoniales (kankurúas) y modernas, terrazas (murallas), puentes (tarabitas). Algunas personas de la comunidad dicen que no solamente nosotros hacemos fuerza, sino también los animales, las plantas y demás elementos de la naturaleza, en concordancia con el concepto de la física. La enseñanza cualitativa del concepto de fuerza se realiza usualmente con ejemplos cotidianos. Ciertos experimentos que tienen significado en la ciudad también lo tienen en la Sierra Nevada de Santa Marta. Por ejemplo, normalmente en los textos de física vemos ejemplos de personas patinando en pistas de hielo para poder explicar la primera ley de Newton, pero deslizarse sobre el hielo es lo mismo que sucede al remplazarlos por piedras lisas, pisos enjabonados o terrenos resbaladizos, cotidianos en la Sierra. Otro ejemplo típico para ilustrar la primera Ley consiste en colocar una manzana sobre la mesa y cortarla de un tajo con un cuchillo afilado, sin que se mueva la parte superior de la manzana. Esto es lo mismo que sucede cuando se gira un machete afilado muy rápido sobre la cepa de un guineo: el machete pasa rápidamente a través de la cepa, sin que se mueva la parte cortada. Similarmente, se usan ejemplos de autos que se remolcan, pero también hay que pensar en animales de carga que se jalan unos a otros. De ahí la importancia de adecuar los ejemplos al contexto sociocultural de los estudiantes. Se plantea entonces la siguiente pregunta:



Para responderla, se propone diseñar una secuencia didáctica que introduzca el concepto físico de fuerza, no sólo a través de ejemplos de la cultura occidental a la que tienen acceso nuestros estudiantes, sino también a través de los objetos y actividades cotidianas que suceden en nuestra comunidad, con la intención de que los estudiantes entiendan la utilidad del conocimiento físico e interpreten los fenómenos a su alrededor.

4.2 Secuencia Didáctica

La secuencia propuesta consta de seis unidades, que se desarrollan a partir de preguntas generadoras, de la siguiente manera:

UNIDADES DIDACTICAS

UNIDAD 1 Primera ley de Newton. ¿Si nadie empuja los objetos, se seguirán moviendo?

UNIDAD 2 Segunda ley de Newton. ¿Qué entendemos por fuerza? ¿Será que sentimos las fuerzas? ¿Por qué los cuerpos cambian su velocidad?

UNIDAD 3 Tercera ley de Newton. Si las fuerzas son de la misma intensidad, ¿por qué el cambio en la velocidad es diferente? El papel de la masa. ¿Por qué debo empujar a otro para que él me empuje y cambie mi movimiento?

UNIDAD 4 Fuerzas de contacto: Normal, Fricción y Tensión.

UNIDAD 5 Fuerzas a distancia. El peso. ¿Hacia dónde van las fuerzas?

UNIDAD 6 Aplicaciones de las leyes de Newton.

El desarrollo de la propuesta busca que los estudiantes comprendan y construyan de forma cualitativa el concepto de fuerza. Una vez lograda la comprensión cualitativa, se espera que posteriormente el estudiante pueda plantear correctamente las ecuaciones en situaciones problema que utilicen el concepto de fuerza, así como la comprensión futura de importantes resultados teóricos y experimentales.

A continuación describiremos cada unidad en detalle.

UNIDAD 1: Primera ley de Newton. ¿Si nadie empuja los objetos, se seguirán moviendo?

Tiempo: 120 minutos Periodo: Primero grado: Undécimo B


Objetivos:

Interpretar el concepto de inercia en situaciones contextualizadas donde se cumple la primera ley de Newton, y reconocer sus efectos.

Realizar experiencias para identificar lo que sucede en un cuerpo cuando no se aplica fuerza sobre él.

Reconocer a partir de una experiencia que si algo se está moviendo y nadie lo altera, se sigue moviendo.

Conceptos importantes: Fuerza neta, primera ley de Newton, inercia, movimiento rectilíneo uniforme.

Ayudas didácticas: computador, video beam, videos, imágenes, piedra lisa, piso enjabonado, mata de guineo, machete, platos, vaso, moneda, tablero y marcadores.

Discusión: En esta unidad se busca que los estudiantes, una vez terminada la clase, puedan dar respuesta a los siguientes interrogantes: ¿Qué sucede con un cuerpo cuando no se aplican fuerzas sobre él? ¿Cómo se sigue moviendo? Aquí en esta primera unidad experimentaremos el principio de la inercia a través de elementos que usemos en nuestro contexto, como por ejemplo una persona moviéndose sobre una piedra muy lisa, o en un terreno resbaladizo o piso liso. Si la fuerza total es cero, objetos en reposo permanecen en reposo, mientras que objetos en movimiento mantienen su movimiento, sin cambiar ni de velocidad ni de dirección. ¿Cuándo un cuerpo en reposo permanece en reposo ¿Cuándo un cuerpo en movimiento mantiene su velocidad? Cuando la suma de fuerzas sobre ellos es cero. La idea principal es que el estudiante se dé cuenta de que las fuerzas no tienen que ver con el movimiento, sino con el cambio en el movimiento. Por lo tanto, si no hay fuerzas, el movimiento no cambia. Si estás parado quieto, y nada te empuja, seguirás sin movimiento. Pero, si hay algo que te empuja, comenzarás a moverte en la dirección en que te empujaron.

Por otro lado, si te estás moviendo en una superficie plana sin que nada te empuje o te frene, continuarás avanzando en línea recta. Pero si hay algo que te empuja o te jala, podrás acelerar, frenar o girar. El objetivo es que los estudiantes logren explicar estas observaciones. Al finalizar esta unidad vamos a contestar algunas preguntas, usando como ejemplo a una persona deslizándose por una superficie bien lisa (piedra lisa), para dar una mejor interpretación de la ley de la inercia. Por ejemplo ¿Por qué una persona quieta, sigue quieta, cuando nadie le hace fuerza? ¿Por qué una persona en movimiento sigue en movimiento, cuando nadie le hace fuerza? ¿Cómo podemos describir el movimiento de una persona mientras se desliza sobre una roca lisa? ¿Cómo comienza a deslizarse, y cómo se detiene o gira?


DESCRIPCION DE LA UNIDAD: La unidad está orientada para discutir y observar el efecto de la primera ley de Newton (inercia) mediante la realización de los siguientes cinco experimentos sencillos:

1) Un niño deslizándose por una piedra bien lisa. 2) La mata de plátano y el machete. 3) Montar un burro que frena y baja la cabeza. 4) El vaso y la moneda. 5) Lápiz, aro y botella.

Estas experiencias casi todas autóctonas, se complementan con los siguientes videos, que, aunque no son autóctonos, hacen parte del contexto de los estudiantes del resguardo, pues la mayoría de los hogares cuentan con televisión, y muchos niños tienen patines o monopatín.

Astronautas flotando en el espacio. Para esta unidad mostraremos un video de la ISS con astronautas flotando en el espacio, demostrando la aplicación de las tres leyes de Newton (Inercia, Movimiento y Acción-Reacción).

Chica en patines, muñeco en monopatín. Este video se encuentra en la siguiente dirección: https://www.youtube.com/watch?v=xO70CCH68t8

EXPERIENCIA 1: Un cuerpo deslizándose por una piedra muy lisa.

Para esta experiencia se desliza un cuerpo por una piedra bien lisa, un piso enjabonado o un terreno resbaloso. En primera medida, se muestran cuerpos en reposo, y luego cuerpos en movimiento, en experiencias demostrativas y en pequeños videos.

https://youtu.be/eCKc0kaQXcI https://www.youtube.com/watch?v=-0EKtRlZUZE

Alrededor de ellos se da una clase magistral de lo que sucede. A la pregunta:

a) ¿Por qué un cuerpo inmóvil, sobre el que la fuerza total es cero, permanece inmóvil?

Se responde diciendo que es porque las fuerzas son las que cambian el movimiento. Si no hay fuerzas, el movimiento no cambia, y si estaba quieto, sigue quieto. Este hecho se conoce como inercia.

b) ¿Por qué permanece en movimiento un cuerpo sobre el que la fuerza total es cero?

La respuesta es la misma anterior: si no hay fuerzas, el movimiento no cambia. O sea, si un cuerpo se está moviendo y lo dejan completamente en paz (no lo empujan), entonces ese cuerpo continuará moviéndose. De hecho, este comportamiento es otra cara de la inercia, y es así cómo funcionan los objetos en nuestro universo. Así, el concepto general de la inercia es que se necesitan

https://www.youtube.com/watch?v=xO70CCH68t8

https://youtu.be/eCKc0kaQXcI

https://www.youtube.com/watch?v=-0EKtRlZUZE


fuerzas para cambiar el movimiento. Si no hay fuerzas actuando sobre el objeto (o si estas se anulan entre sí), el movimiento del objeto se conserva: sigue inmóvil si estaba inmóvil y sigue moviéndose en línea recta y a velocidad constante, si se estaba moviendo.

Figura 4.2.1 estudiantes en piedra del rio.

EXPERIENCIA 2: La mata de guineo y el machete.

Para esta experiencia observaremos un pequeño video de lo que sucede cuando se gira un machete afilado muy rápido sobre la cepa de un guineo: el machete pasa rápidamente a través de la cepa, sin que se mueva la parte cortada https://youtu.be/FV5v0AbmO_w A continuación se da una explicación en clase magistral de lo que sucede en este video. A la pregunta: ¿por qué la cepa de guineo permanece en reposo? se responde que permanece en reposo porque el efecto de la fuerza (es decir, el cambio de velocidad producido por la fuerza) depende de la fuerza y de cuánto tiempo dura la fuerza haciéndose. Como el borde del machete es muy liso, hay poca fuerza de fricción. Además, como se mueve muy rápido, el tiempo en que actúa la fuerza es muy pequeño. Por lo tanto, el efecto de la fuerza es muy pequeño y la velocidad (que era cero) casi no cambia. Por eso, la cepa casi no se mueve. Este ejemplo es muy parecido al mantel que se jala de una mesa, sin mover los platos que están sobre él. EXPERIENCIA 3: Montar un burro que frena y baja la cabeza.

Aquí en esta experiencia observaremos un pequeño video de un burro con varios niños montado sobre él. El burro va muy de prisa y de repente frena, agachando la cabeza, y entonces los niños siguen avanzando encima de la cabeza del burro hasta caer (Figura 4.2.2). La pregunta sería: ¿Por qué los niños siguen avanzando, cuando el burro, estando en movimiento, frena y agacha la cabeza?

https://youtu.be/FV5v0AbmO_w


Figura 4.2.2 Dibujo de un burro hecho por estudiante.

EXPERIENCIA 4: El vaso y la moneda.

Realizaremos en clase una experiencia sencilla de un vaso y una moneda. Esta experiencia consiste en tomar una tarjeta o cartón muy liso, encima de la cual se coloca una moneda. Luego tomamos la tarjeta con la moneda y la colocamos encima del vaso. Con el dedo índice le damos un golpe a la tarjeta. Esta saldrá inmediatamente en movimiento mientras la moneda cae por efecto de la gravedad dentro del vaso. ¿Por qué sucede esto? La respuesta es la misma de la mata de guineo y el machete: el tiempo de contacto es muy pequeño, y por lo tanto el efecto de la fuerza de fricción de la tarjeta sobre la moneda es muy pequeño. Por lo tanto, la moneda casi no cambia su movimiento horizontal, y simplemente cae por gravedad.

Figura 4.2.3 vaso y una moneda.

EXPERIENCIA 5: Lápiz, aro y botella.

Para esta experiencia usaremos un lápiz, un aro y una botella. La experiencia consiste en colocar un pequeño aro encima de una botella, y encima del aro se coloca un lápiz, cuidadosamente. Estando listo el montaje, procedemos a tomar el aro muy rápidamente con la mano. Al igual que el caso anterior, el tiempo de contacto entre el aro y el lápiz es muy pequeño como para cambiar significativamente el movimiento horizontal del lápiz, que solo cae introduciéndose en la botella por efecto de la gravedad.


UNIDAD 2: Segunda ley de Newton. ¿Qué entendemos por fuerza? ¿Sera que

sentimos las fuerzas? ¿Por qué los cuerpos cambian su velocidad?


Objetivos:

Interpretar el concepto de fuerza y reconocer sus efectos.

Realzar experiencias para identificar cómo cambia la velocidad de un cuerpo cuando se aplica una fuerza sobre él. Mirar cómo depende ese cambio de la fuerza aplicada, del tiempo que se aplica la fuerza y de la masa del cuerpo. Introducir el concepto de impulso, como fuerza por tiempo.

Dibujar cómo actúa la Segunda ley de Newton de manera vectorial.

Conceptos importantes: Fuerza, segunda ley de Newton, cambio del movimiento.

Ayudas didácticas: computador, video beam, videos, imágenes, maguey, hoja de maguey, macana, sacos de fique, panela Atanquera, tablero y marcadores.

Discusión: En esta unidad se busca que los estudiantes, una vez terminada la sesión, puedan dar respuesta a los siguientes interrogantes: ¿Qué son las fuerzas? Las fuerzas son jalones y empujones que aceleran frenan o desvían. ¿Por qué los cuerpos cambian su velocidad? ¿Qué es lo que hace que un cuerpo aumente su velocidad, se frene o se desvíe? ¿Qué pasa con el cambio en la velocidad? si a) hago más fuerza o menos fuerza (uno puede medir cuánta fuerza hace porque la siento en las manos), b) si hago la fuerza más o menos tiempo, c) si la masa del cuerpo es más grande o más pequeña.

DESCRIPCION DE LA UNIDAD Para dar respuesta a estos interrogantes, se realizan tres experiencias.

1) Empujones y jalones. 2) La danza del Chicote. 3) La macana y la hoja de maguey.

EXPERIENCIA 1: Empujones y jalones

Organizamos grupos de cuatro estudiantes, y colocamos un estudiante del grupo en movimiento uniforme, es decir en línea recta y a velocidad constante, como en la primera unidad. Si nadie lo empuja, se sigue moviendo así. Nuevamente el mismo estudiante se pone en movimiento, y otro estudiante que está más adelante en reposo le dará un empujón, que puede ser en la espalda (acelerándolo), en el pecho (frenándolo) o de lado (desviándolo). Acá se debe notar un cambio en el movimiento del estudiante que camina, pues se le está aplicando una fuerza. Se puede mostrar que su movimiento puede cambiar de diferentes maneras: acelera, si se le empuja en la misma dirección en que se mueve, frena, si se le empuja en


dirección contraria, o se desvía, si se le empuja en dirección perpendicular. Esto se dibuja en el tablero como flechas. Se muestra que el cambio en la velocidad va en la dirección de la fuerza, que entre más fuerte es el empujón, más se desvía, y que entre más tiempo se hace la fuerza, más se desvía.

Para la segunda parte de la experiencia, se le amarrara una cuerda (soga) a un estudiante por la cintura, antes de que se ponga en movimiento. Estando en movimiento, empezará otro estudiante a jalarlo poco a poco desde atrás, hasta lograr detenerlo y hacerlo retroceder. Se hace énfasis en que todo el tiempo la fuerza fue hacia atrás, a pesar de que al principio se movía hacia delante, y luego hacia atrás. Se muestra que esto es lo mismo que sucede en la caída libre, y de ahí se deduce que hay una fuerza a distancia (el peso) actuando sobre todos los cuerpos que caen.

Las preguntas serían:

a) ¿Qué es lo que hace que un cuerpo cambie su estado de movimiento? b) ¿Hacia dónde debe ir la fuerza todo el tiempo? c) ¿Qué son las fuerzas? f) ¿Por qué los cuerpos cambian su estado de movimiento o de reposo?

Figura 4.2.4 Estudiantes aplicando Fuerza.

EXPERIENCIA 2: La danza del Chicote

En nuestra comunidad existe una danza llamada “El Chicote”, que se hace en conmemoración al pago de tributos a la naturaleza, al Sol, y a La Tierra. Consiste en hacer un circulo de personas, intercalado mujer y hombre, que se toman de la mano y al son de la música Kankuamo empiezan a bailar jalando la mano


izquierda de la pareja hacia el centro y la otra hacia afuera, y así se después con la derecha. En ese ritmo bailamos en círculo. En la danza podemos apreciar los pequeños jalones, y el movimiento de las piernas para poder desplazarnos en círculo. Estos son otros ejemplos de la aplicación de fuerzas en un contexto propio.

Figura 4.2.5 Estudiantes danzando el Chicote.

EXPERIENCIA 3: La macana y la hoja de maguey

La macana es un árbol del cual se elabora un pelín que sirve para quitarle la cáscara de la hoja de maguey, quedando la fibra, lo que llamamos fique, con el que se elaboran las mochilas Kankuamo. El macaneo inicia tomando la punta de la hoja de maguey y colocándola doblada sobre una tabla de madera. Esta tabla se coloca encima de una piedra, para darle una pequeña inclinación y así poder colocarle el pie encima de la hoja para sostenerla. Luego se toma la macana con las manos y se empieza a raspar la hoja con ella, formando un ángulo de aproximadamente 15 grados, alejándose del pie. Al aplicarle fuerza a la hoja maguey con la macana, la fricción que ejerce la hoja sobre la macana disminuye su velocidad hasta frenarla. Al repetirlo una y otra vez, las fibras quedan más expuestas y la fuerza de fricción va disminuyendo en intensidad.

Para esta experiencia se lleva a los estudiantes a un sitio donde el macanero realiza este tipo de trabajo. También se muestra un video del proceso.

Figura 4.2.6 Macaneo.




Las preguntas a resolver son las siguientes:

a) ¿Qué fuerzas están actuando sobre la macana?

b) ¿Por qué es necesario aplicarle fuerza a la macana?

c) ¿Qué pasaría si no sostenemos bien la hoja de maguey con el pie?

d) ¿Por qué disminuye la velocidad de la macana cuando se le aplica fuerza?

e) ¿Por qué al inicio hay que hacer más fuerza para que la macana se deslice

y raspe la hoja?

Figura 4.2.7 Estudiantes del grado undécimo Macaneando en el colegio.

https://youtu.be/K1hTwIRNP20

UNIDAD 3: Tercera ley de Newton. Si las fuerzas son de la misma intensidad, ¿por qué el cambio en la velocidad es diferente? ¿Por qué debo empujar a otro para que él me empuje y cambie mi movimiento?


Objetivos:

Entender que si un cuerpo le hace una fuerza a otro, este otro también le hace una fuerza al primero, y que las dos fuerzas son de la misma magnitud, pero de sentido contrario.

https://youtu.be/K1hTwIRNP20


Que no importa si uno u otro es el que empuja: las dos fuerzas siempre son iguales.

Que no importa si el conjunto está frenando o acelerando o a velocidad constante: las dos fuerzas siempre son iguales.

Que no importa si uno tiene más masa o más velocidad que el otro: las dos fuerzas siempre son iguales.

Que el efecto de la fuerza sí es diferente en cada cuerpo, porque depende de la masa del cuerpo que es empujado por la fuerza.

Que yo no me puedo hacer fuerza neta a mí mismo (porque las dos fuerzas se anulan). Que la única forma de cambiar el movimiento de mi centro de masa es que alguien externo me empuje. Que una forma de lograrlo es que yo lo empuje a él, porque (por tercera ley), al hacerlo, también él me empuja a mí.

Que yo voy por el mundo empujando las cosas, para que las cosas me empujen y cambien mi movimiento. Ejemplos: caminar, saltar, correr y frenar contra una pared.

Conceptos importantes: Fuerzas iguales, acción y reacción, tercera ley de Newton.

Ayudas didácticas: computador, video beam, videos, imágenes, tablero y marcadores.

Discusión: Se realizará la siguiente experiencia: unimos las palmas de las manos a la altura del pecho y empujamos una contra la otra. La mano derecha hará fuerza sobre la izquierda, y la izquierda hará lo mismo sobre la derecha. Se pide que primero empujen con una mano y digan si se siente más fuerza en alguna de las dos. ¿Será que las fuerzas son de la misma intensidad? Para hacer más evidente que las fuerzas son iguales, se infla un globo pequeño y se coloca entre las manos. Entre más grande sea la fuerza, más se deforma el globo. La idea es que evidencien que el globo se deforma igual por ambos lados, evidenciando que las fuerzas son de igual magnitud. Esto se repite en diferentes contextos: empujando a alguien muy grande, o a la pared, etc. A continuación se discute otro interrogante: ¿Yo empujo las cosas para que las cosas me empujen y cambiar de movimiento? Yo mismo no puedo hacerme fuerza que cambie mi movimiento, sino que necesito empujar a otro para que él me empuje a mí. Por ejemplo, yo debo empujar al piso para que el piso me empuje a mí, y así poder caminar. En estos casos se aplicando una acción para luego recibir una reacción. Esto se conoce como la tercera ley de Newton.

DESCRIPCION DE LA UNIDAD Para reforzar estas dos ideas, se realizan dos experiencias:

1) Empujando con un globo. 2) Carrera de encostalados.


EXPERIENCIA 1: Empujando con una vejiga.

En esta experiencia tomaremos una vejiga (es decir, un globo de fiesta), la inflamos y luego procedemos a presionarla entre las manos, haciéndole fuerza en dos extremos. Entonces los estudiantes notarán que la vejiga se deforma lo mismo de los dos lados. Como la deformación depende de la fuerza, esto quiere decir que la fuerza es la misma en los dos lados. No importa cuál sea la mano que empuja, o si el conjunto se mueve a velocidad constante, está en reposo o acelera, la deformación y la fuerza a los dos lados es la misma. Luego se hacen experiencias similares entre un niño pequeño y un hombre grueso, o entre un estudiante y un árbol, para mostrar que las dos fuerzas siempre son de la misma intensidad.

EXPERIENCIA 2: Carrera de encostalados.

Se llevan los estudiantes a un campo abierto, bien sea a la cancha de futbol o un terreno plano, y se ponen a competir por parejas, con un par de sacos de fique, uno para cada uno, para que corran una carrera de encostalados y ver quién de los dos gana. El que empuje con mayor fuerza al suelo, esa gana, pues debo empujar el suelo para que él me empuje a mí. También puede ocurrir que el que acelere más gana, pues a menor masa, mayor la aceleración. Luego nos reunimos para discutir las siguientes preguntas:

a) ¿Por qué unos cuerpos cambian su velocidad más que otros? b) ¿Por qué no puedo aplicarme fuerza a mí mismo para poder moverme?

Figura 4.2.8 Estudiantes del grado undécimo en carrera de encostalado.

UNIDAD 4: Fuerzas a distancia. El peso ¿Hacia dónde van las fuerzas?

Tiempo: 120 minutos Periodo: Tercero grado: Undécimo B

Objetivos:

Interpretar el concepto de fuerzas a distancia en situaciones donde actúan cambiando el movimiento de los cuerpos, y reconocer sus efectos.

Identificar la fuerza de gravedad como la que jala hacia abajo a los cuerpos que se lanzan al aire, y también como la que presiona todas las cosas hacia abajo contra las superficies que los soportan. Decir que se hace a distancia, y que aparece sobre todas las cosas que tienen masa.


Analizar la fuerza de atracción que ejerce La Tierra sobre los objetos (fuerza gravitacional) en caída libre, y que esta fuerza se dirige hacia el centro de la tierra con una magnitud que se llama peso del objeto.

Evidenciar que cuando se aplica una fuerza constante sobre un cuerpo, éste se mueve describiendo una parábola. Hacerlo primero experimentalmente y luego sumando vectores.

Conceptos importantes: Fuerza de gravedad, fuerza electrostática, fuerza electromagnética.

Ayudas didácticas: computador, video beam, videos, imágenes, panela atan quera, mochila, poporo, balón de futbol, tablero, lapicero y marcadores.

Discusión: Organizados por grupos de cuatro estudiantes, se les pide que lleven objetos pesados de la comunidad, además muy comunes, como por ejemplo una panela (Atanquera), y se colocan sobre una mesa. También se cuelga una mochila Kankuamo, para luego preguntarles a los estudiantes qué fuerzas están actuando sobre estos objetos. Luego se les pide que los sostengan de las manos para preguntarles ¿Qué sienten? A continuación se dejan caer dos piedras desde la misma altura, y se les pregunta cuál de las piedras cae primero. Se muestra, además, que aceleran ¿Por qué aceleran? La experiencia se completa con pequeños videos que muestren este tipo de caídas https://www.youtube.com/watch?v=xO70CCH68t8 Otro ejemplo de fuerza a distancia es la que aparece cuando se frota lapicero o un peine de plástico contra lana de ovejo o el cabello, y luego se usa el cuerpo de plástico para atraer pedacitos de papel. Luego se les explicara de manera magistral qué sucede en esta experiencia, junto con videos pequeños de la ISS.

Las preguntas que se quieren resolver son:

a) ¿Por qué se atraen los cuerpos? b) ¿Qué fuerzas permiten que se atraigan? c) ¿Hacia dónde van las fuerzas? d) ¿Por qué flotamos en el espacio?

DESCRIPCION DE LA UNIDAD: Se realizarán dos experiencias:

EXPERIENCIA 1: Caída libre.

Para esta experiencia podemos llevar a la clase objetos livianos y pesados, como piedras, papeles. Tomaremos un par de piedras más o menos del mismo tamaño luego las soltaremos a una misma altura y le preguntaremos a los estudiantes ¿caen al mismo tiempo las piedras? Después tomaremos una pierda más grande que la otra y le hacemos la misma pregunta ¿Cuál de las dos piedras cae primero? En esta experiencia siempre piensan que la que la piedra más grande es la que cae primero, el objetivo es cambiarle esta idea errónea que tienen y que hay algo que está frenando la caída de los cuerpo, entonces aquí le mostraremos

https://www.youtube.com/watch?v=xO70CCH68t8


otra pequeña experiencia la del papel, es decir tomaremos dos hojas de papel, una hoja la arrugamos y la otra no, luego las soltamos a la misma altura y nuevamente preguntamos ¿cuál cae primero? ¿Por qué? ¿Por qué cae más lento la hoja que no está arrugada? Y si arrugamos las dos hojas y las soltamos a la misma altura ¿Qué pasa? ¿Cuáles fuerzas se están aplicando? La piedra sube frenándose, se detiene y se devuelve. Luego, se lanza una piedra hacia arriba y se pregunta qué fuerzas actúan sobre la piedra en diferentes puntos de la trayectoria. Para evidenciar que basta con una fuerza para reproducir el movimiento de la piedra, se repite la experiencia de jalar con la cuerda (soga) a un muchacho que se mueve en línea recta. El paralelo con la caída libre evidencia que solo hay una fuerza siempre hacia abajo: la fuerza de gravedad. Se termina con una explicación magistral de toda la experiencia.

EXPERIENCIA 1: Movimiento parabólico.

Para esta experiencia se llevarán los estudiantes a la cancha de microfútbol y realizaremos tiros parabólicos con un balón de voleibol. Se les pide que dibujen los diagramas de cuerpo libre sobre el balón en diferentes puntos de su trayectoria. La pregunta es ¿Cómo cambia la velocidad con el tiempo? ¿Se pueden explicar estos cambios con una sola fuerza?

Para evidenciar que efectivamente solo se necesita de una fuerza para lograr un movimiento parabólico, se muestran otros ejemplos en que los movimientos se desvían, como el movimiento circular y tiro parabólico de una piedra de cacería. En el movimiento circular, el objetivo es mostrar que se necesita desviar continuamente el cuerpo para que dibuje un círculo, y que esto se logra haciendo una fuerza siempre perpendicular al movimiento que trae el cuerpo. En el tiro parabólico, hay que mostrar que sólo hay una fuerza: el peso (hacia abajo), y que esa sola fuerza reproduce el movimiento. Para ello, se amarra un estudiante con un lazo (iko) y se le pide que se mueva en diagonal. Mientras se desplaza, se le jala con el lazo siempre en la misma dirección y tratando de mantener la misma intensidad de la fuerza ejercida. Como consecuencia, el estudiante describe una parábola. Luego se explica que eso es lo mismo que pasa en el tiro parabólico.

Figura 4.2.9 Estudiantes del grado undécimo lanzando un balón.


UNIDAD 5: Fuerzas de contacto (Normal, Fricción y Tensión).


Objetivos:

Identificar la fuerza de contacto como una fuerza electromagnética. Descomponerla en Normal y fricción. Poder dibujar estas fuerzas con la dirección correcta en diferentes situaciones.

Identificar la tensión como la fuerza de contacto que hace una cuerda. Entender que vale siempre lo mismo en sus dos extremos (siempre que la cuerda está tensionada), no importa si los objetos que une están acelerando, frenando o si se mueven a velocidad constante. Y no importa quién jale a quién, la fuerza de tensión es siempre la misma en los dos extremos.

Realizar experiencias y dibujar con flechas las fuerzas que están actuando sobre un cuerpo, si las hay. Poder dibujar correctamente las fuerzas que actúan en diferentes situaciones, y poder deducir a partir de ellas cómo cambia el movimiento de los cuerpos involucrados.

Conceptos importantes: Fuerzas, Normal, Fricción, Tensión, Fuerza de contacto.

Ayudas didácticas: computador, video beam, videos, imágenes, cuerda larga, soga, cuerda engrasada, vara engrasada, tablero y marcadores.

Discusión: Organizados por grupos de cinco estudiantes, se toma una cuerda larga y nos desplazaremos a un terreno plano, por ejemplo a la cancha de futbol. Luego se ponen grupo de un lado (grupo A) y el otro grupo del otro lado (grupo B), para que a la voz de tres empiecen a jalar, pero con una condición: el grupo B debe jalar y empujar el piso con fuerza, mientras que el otro grupo A simplemente jalará la cuerda con las manos. Ahora se les pregunta ¿quién gana? ¿El que empuje con mayor fuerza el piso, o el que jala fuerte con las manos? Otra forma de realizar la experiencia consiste en que uno de los grupos se pare sobre un piso enjabonado. La idea es que los estudiantes identifiquen que no gana el equipo que jale más duro (pues la tensión de la cuerda es la misma en los dos extremos), sino el equipo que empuje el piso con mayor fuerza, es decir el que logre mayor fuerza de fricción entre el suelo y sus zapatos.

Figura 4.2.10 Niñas del grado undécimo halando una cuerda (soga).


UNIDAD 6: Aplicaciones de las leyes de Newton.

Tiempo: 120 minutos Periodo: Primero grado: Undécimo A

Objetivos:

Interpretar el concepto de fuerza en situaciones en donde se cumple las leyes de Newton y reconocer sus efectos.

Realzar preguntas abiertas y cerradas para dar explicación a los problemas planteados de acuerdo a las aplicaciones de las leyes de Newton.

Dibujar diagramas simples de cuerpo libre en un sistema, para que esto ayude a la construcción de una representación mental del sistema.

Conceptos importantes: Fuerzas, leyes de Newton, Inercia, Movimiento, Acción y Reacción.

Ayudas didácticas: computador, video beam, videos, imágenes, tablero y marcadores.

Colocar muchos ejemplos que se puedan llevar a la clase o que sean conocidos de todos. Discutirlos con los estudiantes ejemplo por ejemplo, hasta que todos queden convencidos.

Discusión: se realizarán unas (10) diez preguntas abiertas sobre situaciones donde se pide aplicar las leyes de Newton. Los estudiantes se organizaran en grupos de tres estudiantes y deben dar una explicación de manera cualitativa a esta preguntas, usando lo aprendido en las sesiones anteriores. La idea es que el estudiante pueda predecir y explicar de manera cualitativa el concepto de fuerza. El estudiante, además, debe dibujar las fuerzas que se aplican en cada caso.

ACTIVIDAD: Preguntas abiertas

1. Un hombre grande y un niño pequeño están de pie, uno frente al otro sobre una piedra muy lisa sin fricción. Juntan sus manos y se empujan mutuamente, de modo que se separan. a) ¿Quién se aleja con mayor rapidez?; b) ¿Quién se aleja más mientras sus manos están en contacto?

2. Una pasajera sentada en la parte trasera de un autobús afirma que se lesionó cuando el conductor frenó bruscamente, lo que hizo que una maleta saliera volando hacia ella desde la parte delantera del autobús. Si usted fuese el juez en este caso, ¿qué sentencia haría? ¿Por qué?

3. ¿Qué quiere decir que un objeto en movimiento tiene inercia? Describa con un ejemplo.

4. Un hombre sujeta una cuerda ligera que pasa sobre una polea sin fricción unida al techo de una casa. Al otro extremo de la cuerda se amarra un saco


de arena precisamente igual en peso del hombre. Tanto el saco como el hombre al inicio están en reposo. El hombre escala la cuerda, a veces acelerando y frenando mientras lo hace. ¿Qué ocurre con el saco de arena? Explique.

5. Una panela Atanquera está en equilibrio sobre una mesa. ¿Qué fuerzas actúan sobre ella? ¿Cuál es la fuerza de reacción para cada una de ellas? ¿Cuáles son los pares acción-reacción?

6. Ejemplos de diagramas de cuerpo libre. En cada caso, el diagrama de cuerpo libre muestra todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto en cuestión. Dibuje las fuerzas para: la macana, un niño saltando encostalado (cuando inicia el salto, cuando está en el aire, cuando aterriza)

7. Considere dos personas que tiran en direcciones opuestas de los extremos de una cuerda. Por la tercera ley de Newton, la fuerza que A ejerce sobre B es tan grande como la que B ejerce sobre A. Entonces, ¿qué determina quién gana? (Sugerencia: dibuje un diagrama de cuerpo libre que muestre todas las fuerzas que actúan sobre cada persona.)

8. Un burro con un niño montado sobre él. El burro va muy de prisa y de repente frena, agachando la cabeza, y entonces el niño siguen avanzando encima de la cabeza del burro hasta caer. ¿Por qué el niño sigue avanzando, cuando el burro, estando en movimiento, frena y agacha la cabeza?

9. Una bola que rueda por el piso no continúa rodando indefinidamente. ¿esto es porque busca un lugar de reposo o porque alguna fuerza actúa sobre ella? Si hay una fuerza ¿Cuál sería ésta?

10. En un diagrama de cuerpo libre se muestran todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto en cuestión. El dibujo que mejor representa las fuerzas para la macana es:

35 Resultados

5. RESULTADOS

5.1 Marco de Aplicación

La aplicación de esta secuencia se realizó durante seis semanas para los estudiantes del grado undécimo, jornada de la mañana, de la Institución educativa oficial San Isidro Labrador de Atánquez, ubicada en el Resguardo Indígena Kankuamo, parte sur-oriental de la Sierra Nevada de Santa Marta, en el municipio de Valledupar. La propuesta se realizó con los 22 estudiantes del grado 11 B, cuyas edades oscilan entre 15 y 17 años. Esta propuesta parte del análisis de las características de la comunidad estudiantil objeto de esta investigación, pues su identidad sociocultural y el modelo educativo propio (Modelo Educativo Kankuamo) que se implementa en la Institución propician unas condiciones especiales para llevar a cabo el aprendizaje de la física.

Para evaluar el efecto de la secuencia, se diseñó un test de 20 preguntas cerradas que se utilizó como prueba inicial, para saber las ideas que tenían los estudiantes del concepto de fuerza y establecer una línea base, y también como prueba final, y obtener resultados del estudio.

5.2 Análisis Estadístico

La propuesta se implementó en un diseño pre-experimental con pre-test y pos-test, usando para ello el test de 20 preguntas que se encuentra en el Anexo A. Un análisis interesante es mirar la consistencia interna del test, que nos dice si todas las preguntas están midiendo más o menos el mismo concepto. Como en nuestro caso todas las preguntas están diseñadas para evaluar aspectos cualitativos de la fuerza, es muy posible que la consistencia sea alta. El estadístico que mide esto es el alpha de Cronbach (Gregory, 2001) que resulta ser de 0.680 (Tabla 5.2.1). Esto nos dice que el test efectivamente sí está midiendo un solo concepto.

Tabla 5.2.1 Prueba de consistencia interna para el test.

El primer paso del análisis estadístico consiste en describir las distribuciones de los puntajes obtenidos, tanto en el pre-test como en el pos-test. La figura 5.2.1 muestra los histogramas de estos dos conjuntos de puntajes. Ninguno de los dos parece corresponder a una distribución gaussiana.

Estadísticos de fiabilidad

Alfa de Cronbach N de elementos

,680 20


Figura 5.2.1 Histogramas de los puntajes obtenidos en el pre-test (izquierda) y en el pos-test (derecha).

La tabla 5.2.1 lista algunos estadísticos descriptivos de las dos distribuciones Se observa un aumento de entre 3 y 5 puntos entre los valores mínimos, máximos y medios. La desviación típica, por su parte, no crece demasiado, lo que sugiere que puede haber una diferencia significativa entre el pre-test y el pos-test.

Estadísticos descriptivos

N Mínimo Máximo Media Desv. típ.

total pre 22 7 11 9,00 1,345

total pos 22 11 17 13,95 1,914

N válido (según lista) 22

Tabla 5.2.2 Estadísticos descriptivos para el pre-test y el pos-test.

Esto se hace más evidente al construir el diagrama de cajas y bigotes para los dos resultados (Figura 5.2.2). Prácticamente la totalidad de los puntajes del pos-test resultan estar por encima del máximo puntaje del pre-test, y la dispersión de los datos no aumenta ostensiblemente. Todo esto sugiere que efectivamente hay una diferencia significativa entre los resultados del pre-test y del pos-test. Para determinarlo, se pueden utilizar dos tipos de pruebas: paramétricas o no paramétricas (Siegel, 1995). Las paramétricas son capaces de distinguir diferencias mucho más pequeñas en los valores medios, pero exigen que las dos distribuciones sean normales (es decir, que distribuyan como gaussianas). Las no

37 Resultados

paramétricas, en cambio, no tienen esta limitación, pero son menos potentes para distinguir diferencias pequeñas. Por eso, primero hay que establecer si las distribuciones son normales o no. Para ello se utilizan las pruebas de Kolmogorov-Smirnov (si la muestra tiene más de 50 datos) o Shapiro-Wilk (si tiene menos de 50). Como tenemos 22 estudiantes, usamos Shapiro-Wilk. Al correr la prueba, se encuentran significancias de 0.014 y 0.015 para las dos distribuciones (muy por debajo del valor de 0.05 que se considera suficiente para aceptarlas como normales), lo que quiere decir que ninguna de ellas es normal, tal como parecía al mirar los histogramas (figura 5.2.1). Por lo tanto, toca utilizar pruebas no paramétricas para saber si existe diferencia significativa entre las dos distribuciones.

Figura 5.2.2 Diagrama de cajas y bigotes para los puntajes totales del pre-test y el pos-test. Cada diagrama muestra cinco niveles, que aproximadamente corresponden al mínimo puntaje, al primer cuartil, a la mediana, al tercer cuartil y al máximo

puntaje de cada distribución.

Pruebas de normalidad

Kolmogorov-Smirnova Shapiro-Wilk

Estadístico gl Sig. Estadístico gl Sig.

total pre ,226 22 ,005 ,884 22 ,014

total pos ,253 22 ,001 ,884 22 ,015

a. Corrección de la significación de Lilliefors

Tabla 5.2.3 Pruebas de normalidad para el pre-test y el pos-test.

La tabla 5.2.4 muestra los resultados de la prueba de rangos con signo de

Wilcoxon, que es la prueba a utilizar en este caso. El valor obtenido está a 𝑍 =4.031 desviaciones estándar del cero, y la significancia bilateral, que es la probabilidad de que las diferencias entre los resultados del pre-test y el pos-test haya sido consecuencia del puro azar, es menor a una parte por 1000. Esto quiere decir que sí hay una diferencia significativa entre los dos puntajes.


Rangos

N Rango promedio Suma de rangos

total pos - total pre

Rangos negativos 0a ,00 ,00

Rangos positivos 21b 11,00 231,00

Empates 1c

Total 22

a. total pos < total pre b. total pos > total pre c. total pos = total pre

Estadísticos de contrasteb

total pos - total

pre

Z -4,031a Sig. asintót. (bilateral) ,000

a. Basado en los rangos negativos. b. Prueba de los rangos con signo de Wilcoxon

Tabla 5.2.4 Prueba de rangos con signo de Wilcoxon.

5.3 Resultados cualitativos

La aplicación de la secuencia didáctica tuvo también efectos importantes en la motivación y participación de los estudiantes. Inicialmente los estudiantes se sintieron muy motivados sobre todo cuando se les presentó en clases los videos de la estación espacial internacional (ISS, por sus siglas en inglés) donde los astronautas muestran en el espacio los efectos de las leyes de Newton. Como muchas de las actividades se realizaron a campo abierto, la motivación fue mucho mayor, porque la rutina de estar recibiendo clase y escribiendo en el tablero es un tanto aburrida para ellos. Los ejemplos tomados de las actividades cotidianas en el resguardo les llamaron mucho la atención y les son más fáciles de entender. Por ejemplo, la experiencia de caminar sobre una piedra lisa de río o el ejemplo de cabalgar en un burro que frena de repente sirvieron muy bien para ilustrar la primera ley de Newton. En cambio, ejemplos que eran menos cercanos, como el de un carro pequeño que empuja a un camión grande no lograron establecer que las fuerzas de un par acción y reacción son siempre iguales. Por ello tocó usar un globo de fiesta inflado, que se deforma en relación directa con la fuerza aplicada, y colocarlo entre dos objetos que se hacen fuerza, para lustrar que se deformaba lo mismo de ambos lados, y que por lo tanto las dos fuerzas eran iguales. Además, les cuesta separase de la idea de que siempre hay una fuerza de empuje, paralela a la velocidad, que hace que el cuerpo se mueva. Aunque la mayéutica sirvió para convencer a muchos estudiantes de lo contrario, algunos siguieron con estas ideas. Se concluye, por lo tanto, que usar experiencias demostrativas combinadas con la mayéutica es fundamental para convencer a los estudiantes de algunas ideas herradas que tienen del concepto de fuerza desde un punto de vista cualitativo, en concordancia con (Rosales, 2012).

39 Conclusiones y Recomendaciones

6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

Este trabajo ha diseñado y puesto a prueba una secuencia didáctica para la enseñanza del concepto de fuerza desde un punto de vista cualitativo, centrado en la comprensión de las tres leyes de Newton, dirigida a los estudiantes de grado undécimo de la Institución educativa oficial San Isidro Labrador de Atánquez, ubicada en el Resguardo Indígena Kankuamo, parte sur-oriental de la Sierra Nevada de Santa Marta, en el municipio de Valledupar. La secuencia propuesta introduce el concepto físico de fuerza a través de los objetos y actividades cotidianas que suceden en nuestra comunidad, que combinadas con otras actividades de uso universal para la comprensión del concepto de fuerza ayudando no sólo a identificar la acción de la fuerza en situaciones cercanas, sino también a reforzar la identidad cultural Kankuama.

La secuencia didáctica se implementó durante seis semanas con los 22 estudiantes del curso undécimo B, jornada de la mañana, de la Institución educativa oficial San Isidro Labrador de Atánquez, y su efectividad se evaluó en un diseño pre-experimental con pre-test y pos-test. Para ello se utilizó un test de 20 preguntas cerradas que se diseñó para establecer la comprensión del concepto cualitativo de fuerza. Los resultados muestran una mejora significativa en el desempeño de los estudiantes, que se desplaza sin dispersarse en alrededor de 4 puntos, hasta lograr, incluso, que casi la totalidad de los puntajes del pos-test estén por encima del máximo puntaje del pre-test. El test de rangos de Wilcoxon muestra, con una certeza mayor al 99.99%, que hay una diferencia significativa entre el pre-test y el pos-test. En otras palabras, podemos afirmar que los estudiantes mejoraron significativamente su desempeño como consecuencia de la implementación de la secuencia didáctica propuesta.

El desarrollo de la secuencia tuvo, además, muchos efectos positivos sobre los estudiantes. Al realizar las experiencias, los estudiantes aumentaron su nivel de comprensión y argumentación. La combinación de videos y experiencias en vivo les gustó mucho, porque se sintieron más motivados y enriquecieron mucho más el concepto de fuerza. Algunos estudiantes comentaron que la metodología que se usó al explicar y realizar las experiencias demostrativas es mejor que la que se usa normalmente en la asignatura, que enfatiza en la aplicación de una serie de fórmulas matemáticas que con frecuencia no comprenden ni entienden. Algunos videos los motivaron mucho, en especial los videos de la estación espacial internacional (ISS, por sus siglas en inglés), que muestran a los astronautas flotando y aplicando las leyes de Newton en el espacio. Con las actividades que se realizaron a campo abierto la motivación fue mucho mayor, pues la rutina de estar recibiendo clase y escribiendo en el tablero es un tanto aburrida para ellos. Además, realizar algunas experiencias con elementos del contexto en donde vivimos hizo que los conceptos fueran más fáciles de entender. Por ejemplo, la experiencia de caminar sobre una piedra lisa de río funcionó perfectamente para ilustrar la primera ley de Newton. Algo que les costó entender fue que las fuerzas


de acción y reacción son siempre iguales y de sentido contrario. La mayéutica, por su parte, mostró ser una herramienta fundamental para convencer a un estudiante de que cambie la idea equivocada que tiene, lo que se logró confrontándolo con otras experiencias o situaciones que pueda ver. Como dicen Sears y Zemansky: “Nunca debemos olvidar que la física es algo más que una mera colección de reglas y ecuaciones. Más bien, es una descripción sistemática del mundo natural basada en experimentación y observación” (Sears, 2009)

A la luz de los resultados obtenidos, este trabajo, que enseña el concepto cualitativo de fuerza dentro del modelo educativo propio Kankuamo, es un aporte significativo a la enseñanza de la ciencia en nuestra comunidad y un ejemplo exitoso de cómo integrar la ciencia al entorno social y cultural propio de una comunidad que piensa de manera distinta a la cultura occidental.

41 Bibliografía

BIBLIOGRAFÍA

Agencia Espacial Europea (ESA), Fisica en la ISS. Mision 1. Las leyes de

Newton.1.https://www.youtube.com/watch?v=e4erR6NtJhA

Agencia Espacial Europea (ESA), Fisica en la ISS. Mision 2. Las leyes de

Newton.1. https://www.youtube.com/watch?v=NpstwxqCNaE

Arroyo, Luis (2012) “Diseño de una unidad didáctica para enseñar los conceptos de trabajo y energía mecánica a partir de la cinemática del movimiento uniformemente acelerado”. Trabajo Final, Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Colombia – Bogotá, D.C.

Cuntell, John D. y Johnson, Kenneth W. (1999). Física. Vol. 1. Ed. Limusa S.A, 2 Ed.

Driver, R. (1986). Psicología cognoscitiva y esquemas conceptuales de los alumnos. Enseñanza de las ciencias, 4(1), pp. 3-15.

Feynman, R. P. (1998). The Feynman lectures on physics. Vol. 1 primera impresión en México. Addison Wesley Longman.

García, Yorlady (2011). Dificultades en la Interpretación del concepto de Fuerza en estudiantes de grado décimo. Una propuesta didáctica para abordar la problemática. Trabajo Final, Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Colombia – Bogotá, D.C.

Gregory, R.J. (2001), Evaluación Psicológica: historia, principios y aplicaciones, Ed. Manual Moderno, México, Tema 3B, pág. 105.

Griffith, Thomas (2008). Física Conceptual. Ed. McGraw Hill/Interamericana, México DF, Cap. 4.

Hewitt, Paul G. Física conceptual. Vol. 1 (10 Ed.). Addison Wesley S.A México D.F. (2007).

Hestenes, D., Wells, M. y Swackhamer, G. (1992). Force Concept Inventory. The Physics Teacher, 30(3), 141 – 158.

Holton, G. Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas. Ed. Reverté, 1988.

https://www.youtube.com/watch?v=e4erR6NtJhA


Makú Jogúki (2008), Ordenamiento Educativo del Pueblo Indígena Kankuamo.

Ministerio de Educación Nacional (1998). Lineamientos Curriculares para el área de ciencias naturales y educación ambiental. Serie lineamientos curriculares. Bogotá.Rosales, José M. (2012) Tesis de grado ¿Es importante el orden de aborda la mecánica? Trabajo Final, Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Colombia – Bogotá, D.C.

Mosquera, Yamid (2012) “La segunda ley de Newton: propuesta didáctica para estudiantes del grado décimo de educación media de la escuela normal superior de Neiva”. Trabajo Final, Maestría en Enseñanza de las Ciencias Exactas y Naturales, Universidad Nacional de Colombia – Bogotá, D.C.

Muñoz, José Daniel (2015), ¿Cómo Enseñar Fuerzas, desde un punto de vista cualitativo? Enseñanza de la Mecánica y Física térmica, Clase 2, https://www.youtube.com/watch?v=jnFhVfQAUfM

Newton, I. (2011) Principios Matemáticos de la Filosofía Natural. Ed. Tecnos, Trad. Antonio Escohotado.

Pozo, J.I. (1987). … Y, sin embargo, se puede enseñar ciencia. Infancia y aprendizaje, 38(1), 109 – 113.

Sears, F., Zemansky, M. y Young, H. (2009). Física universitaria. Vol. 1 (12 ed.). México: Pearson Educación.

Serway, Raymond (2008) Física para ciencia e ingeniería. Vol. 1, (7 Ed.). Mac GrawHill S.A.

Siegel, S. y Castellan, N.J. (1995), Estadística no-paramétrica aplicada a las ciencias de la conducta. Cuarta edición en español. México, Ed. Trillas, págs. 73,113.

Tipler, Paul. A. y Mosca, Gene. Física para la Ciencia y la Tecnología. Vol. 1 (5 Ed.) Reverté, Barcelona, 2005 (Tecnología., 2005), Cap. 4.

https://www.youtube.com/watch?v=jnFhVfQAUfM

43 Anexos

A. Anexo: preguntas sobre concepto de fuerza.

Inicialmente se le realiza esta serie de preguntas diagnósticas para conocer qué

conceptos tiene de fuerza.


UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA MAESTRÍA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

ÁREA: CIENCIAS NATURALES – ASIGNATURA: FÍSICA I. E. SAN ISIDRO LABRADOR –ATANQUEZ RESGUARDO INDIGENA KANKUAMO

GRADO UNDECIMO J.U. DOCENTE: JAIDER ENRIQUE ARIAS ARIAS

EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA PRE-TEST DE FÍSICA

Asignatura: Física Sección: __ __________ Grado: ________ Fecha: _______________

Docente: Jaider Arias N° de estudiantes: ________

Tema: ¿Qué son las fuerzas? Nombre del estudiante: ________________________________

Querido estudiante, a usted se le va a aplicar una evaluación diagnóstica con el propósito de conocer algunos aspectos relacionados con los conceptos de fuerza que usted maneja, los cuales serán de mucha importancia para la realización de una propuesta metodológica para el aprendizaje de dichas fuerzas y poder mejorar en ustedes sus competencias en física. De antemano agradezco su colaboración.

A continuación encontrará una serie de preguntas que deberá resolver utilizando sólo tus conocimientos previos.

1) La cabeza de un martillo se está aflojando de un mango de madera. ¿Cómo

golpearías el mango contra una acera de concreto para apretar la cabeza? ¿Por

qué funciona esto?

2) ¿Por qué puede doler más patear un peñasco que un guijarro? ¿el peñasco debe

doler más? Explica la respuesta.

3) Si usted tiene las manos mojadas y no dispone de una toalla, puede eliminar el

exceso de agua sacudiéndolas. ¿Por qué se elimina el agua así?

4) Considere dos personas que tiran en direcciones opuestas de los extremos de

una cuerda. Por la tercera ley de Newton, la fuerza que A ejerce sobre B es tan

grande como la que B ejerce sobre A. Entonces, ¿qué determina quién gana? ¿el

que hala más duro o el que más empuja el piso?

5) Una panela Atanquera está en equilibrio sobre una mesa. ¿Qué fuerzas actúan

sobre ella? ¿Cuál es la fuerza de reacción para cada una de ellas? ¿Cuáles son

los pares acción-reacción?

Nota: La aplicación de ésta evaluación es netamente académica. Sus resultados serán empleados para el desarrollo de TRABAJO FINAL denominado: ¿CÓMO ENSEÑAR EL

CONCEPTO FUEZAS DESDE UN PUNTO DE VISTA CUALITATIVO A ESTUDIANTES DE LA COMUNIDAD KANKUAMA?

45 Anexos

B. Anexo: Test del concepto de fuerza

Este Test es el instrumento que aplicamos antes y después de la de la secuencia didáctica. El Test propone situaciones en contexto con un lenguaje sencillo y cotidiano e incluyendo que expliquen la situación en la que se está indagando.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

MAESTRÍA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

ÁREA: CIENCIAS NATURALES – ASIGNATURA: FÍSICA I. E. SAN ISIDRO LABRADOR –ATANQUEZ RESGUARDO INDIGENA KANKUAMO

GRADO UNDECIMO J.U. DOCENTE: JAIDER ENRIQUE ARIAS ARIAS

EVALUACIÓN DIADNÓSTICA TEST DE FÍSICA

Asignatura: Física Sección: __ __________ Grado: ________ Fecha: _______________

Docente: Jaider Arias N° de estudiantes: ________

Tema: ¿Qué son las fuerzas? Nombre del estudiante: ________________________________

Querido estudiante, a usted se le va a aplicar una evaluación diagnóstica con el propósito de conocer algunos aspectos relacionados con los conceptos de fuerza que usted maneja, los cuales serán de mucha importancia para la realización de una propuesta metodológica para el aprendizaje de dichas fuerzas y poder mejorar en ustedes sus competencias en física. De antemano agradezco su colaboración.

A continuación encontrará una serie de preguntas de selección múltiple con única respuesta que deberá responder utilizando sólo tus conocimientos

previos.

1) Un hombre grande y un niño pequeño están de pie, uno frente al otro sobre

una piedra muy lisa sin fricción. Juntan sus manos y se empujan

mutuamente de modo que se separan. ¿Quién se aleja con mayor rapidez?

a) El hombre grande porque posee mayor masa.

b) El niño pequeño porque posee menor masa.

c) Los dos se alejan con la misma rapidez, porque se hacen la misma

fuerza.

d) El hombre grande, porque tiene mayor fuerza que el niño.

2) Una pasajera sentada en la parte trasera de un autobús afirma que se

lesionó cuando el conductor frenó bruscamente, lo que hizo que una maleta

saliera volando hacia ella desde la parte delantera del autobús. Si usted

fuese el juez en este caso, ¿qué sentencia haría?


a) La pasajera debe usar cinturón de seguridad para que no le suceda esto.

b) Es culpa de la pasajera debió sentarse en la parte trasera.

c) Que la maleta habría seguido moviéndose hacia adelante, porque nadie

le hacía fuerza.

d) Es culpa del conductor, que al frenar empujó la maleta hacia atrás.

3) Un hombre sujeta una cuerda ligera que pasa sobre una polea sin fricción

unida al techo de una casa. Al otro extremo de la cuerda se amarra un saco

de arena precisamente igual en peso al hombre. Tanto el saco como el

hombre al inicio están en reposo. El hombre escala la cuerda, a veces

acelerando y frenando mientras lo hace. ¿Qué ocurre con el saco de arena?

a) El hombre no sube, porque la tensión que está ejerciendo la cuerda es

igual al peso del saco de arena.

b) A medida que el hombre sube, el saco de arena también sube al mismo

ritmo que el hombre.

c) El hombre sube, pero el saco de arena no sube porque su masa es mayor

que la del hombre.

d) El hombre y el saco de arena no suben porque la cuerda se atasca,

debido a que la tensión que ejerce la cuerda es distinta al peso.

4) Una panela Atanquera está en equilibrio sobre una mesa. Considere las

siguientes fuerzas:

I. Una fuerza hacia abajo debida a la gravedad.

II. Una fuerza hacia arriba ejercida por la mesa.

III. Una fuerza neta hacia abajo ejercida por el aire.

¿Qué fuerzas actúan sobre ella?

a) sólo la I.

b) I y II.

c) II y III.

d) I, II y III.

5) Considere dos personas que tiran en direcciones opuestas de los extremos

de una cuerda. Por la tercera ley de Newton, la fuerza que A ejerce sobre B

es tan grande como la que B ejerce sobre A. Entonces, ¿qué determina quién

gana?

47 Anexos

a) El que empuja con mayor fuerza el piso.

b) El que tire de más duro de la cuerda.

c) No hay ganador porque las fuerzas que aplican los equipos son iguales.

d) El que empuje con menor fuerza al piso.

6) En un choque de frente entre dos automóviles, los pasajeros que no usan

cinturón de seguridad podrían ser lanzados a través del parabrisas. Use las

leyes del movimiento de Newton para explicar este fenómeno.

a) Porque todo cuerpo en movimiento seguirá moviéndose con velocidad

constante.

b) El peso los empuja hacia adelante a través del parabrisas.

c) Al no estar amarrado el cinturón de seguridad, éste no les puede dar la

fuerza que necesita para que la suma de fuerzas sea cero, y no se mueva.

d) La fuerza que se aplican en este caso es distinta de cero.

7) Dos cuerpos muy pesados, que pesan el uno el doble del peso del otro, se

dejan caer libremente desde la misma altura, en el mismo instante. Si el

efecto del aire es insignificante, cae al suelo

a) El más pesado primero.

b) Primero el más liviano.

c) Caen iguales.

d) No se sabe cuál cae primero.

8) Una bola que rueda por el piso no continúa rodando indefinidamente. Esto

pasa porque

a) La fuerza normal la frena.

b) La fuerza de gravedad la frena.

c) La fuerza del impulso es muy pequeña.

d) La fuerza de rozamiento la frena.

9) Imagine que sostiene en la mano una piedra del rio y la mueve un poco

aplicando una fuerza hacia arriba para saber cuánta masa tiene la piedra. Si

una fuerza pequeña causa una aceleración grande, la piedra tiene

a) Una masa pequeña.

b) Una masa grande.

c) Una aceleración pequeña.

d) Un gran tamaño.


10) Un camión grande choca de frente contra un auto pequeño. Durante el

choque

a) La fuerza que el camión le hace al auto es mayor que la que le hace el auto al camión.

b) La fuerza que el camión le hace al auto es menor que la que le hace el auto al camión.

c) El camión hace una fuerza sobre el automóvil, pero el auto no nace ninguna fuerza sobre el camión.

d) La fuerza que el camión le hace al auto es de la misma intensidad que la que le hace el auto al camión.

Use la descripción para contestar las siguientes preguntas (11 y 12).

Un camión grande se vara en la carretera, y un automóvil pequeño lo empuja de regreso a la ciudad, tal como se muestra en la figura.

11. Mientras el automóvil que empuja al camión acelera para alcanzar la velocidad de viaje,

a) La fuerza que el automóvil aplica sobre el camión es igual en intensidad a la fuerza que el camión aplica sobre el auto.

b) La fuerza que el automóvil aplica sobre el camión es menor que la fuerza que el camión aplica sobre el auto.

c) La fuerza que el automóvil aplica sobre el camión es mayor que la fuerza que el camión aplica sobre el auto.

d) Ni el camión ni el automóvil hacen fuerza alguna sobre el otro. El camión es empujado hacia adelante simplemente porque está en el camino del automóvil.

12. Cuando ya el conjunto se mueve a velocidad constante,

a) La fuerza que el automóvil aplica sobre el camión es igual en intensidad a la fuerza que el camión aplica sobre el auto.

b) La fuerza que el automóvil aplica sobre el camión es menor que la fuerza que el camión aplica sobre el auto.

c) La fuerza que el automóvil aplica sobre el camión es mayor que la fuerza que el camión aplica sobre el auto.

d) Ni el camión ni el automóvil hacen fuerza alguna sobre el otro. El camión es empujado hacia adelante simplemente porque está en el camino del automóvil.

49 Anexos

13. imaginémonos que estamos en una nave espacial con dos esferas del mismo

tamaño, una de madera y la otra de metal. Se colocan juntas y le damos un pequeño soplo, el cambio de movimiento se notara más en:

a) La esfera de madera porque tiene menor masa. b) La esfera de metal porque tiene mayor masa. c) La esfera de metal porque tiene menor masa. d) Ambas porque las dos se mueven iguales. 14. Nos encontramos en un arroyo con una corriente constante, y observamos la siguiente competencia: un niño con un flotador y un grupo de cinco niños unidos con sus respectivos flotadores, a la voz de tres se sueltan para que comiencen a competir (no deben mover las manos, solo dejarse llevar de la corriente), ganará: a) El grupo de cinco niños, porque su masa es mayor. b) El niño con el flotador porque su masa es menor. c) No hay ganador porque el niño y el grupo de cinco llegan iguales. d) El grupo de cinco porque son más.

15. Se tiene una balanza de platillos sobre la superficie terrestre. Se colocan en uno de los platillos un bloque de adobe y en el otro platillo se colocan pesas por un valor total de 1kg consiguiendo el equilibrio. Si se hiciera la misma experiencia en la superficie de la luna, entonces:

a) Tendría que quitarse algunas pesas para poder equilibrar el bloque b) No tendría que agregarse ni quitarse ninguna pesa para equilibrar el bloque c) La masa del bloque disminuye, por lo que se tienen que colocar más pesas d) Que se quite o coloquen pesas para equilibrar el bloque depende del material del que esté hecho el bloque. 16. Dos bloques reposan sobre una superficie sin fricción, como se indica en la figura. Cuando se aplica una fuerza externa sobre el bloque de mayor masa, el bloque de menor masa hará sobre el bloque de mayor masa una fuerza. F

-------------------- a) Igual, pero de sentido contrario b) Menor, pero en la misma dirección c) Menor, y de sentido contrario d) Igual, y en la misma dirección. 17. Javier lanza una pelota a Luisa. Cuando la pelota pasa por el punto A, las fuerzas que actúan sobre la pelota son:


En las siguientes preguntas de la 18- 20, debes marcar V si la afirmación es verdadera o F si la afirmación es falsa. 18. Los objetos con mucha masa se mueven con mayor rapidez. _____Verdadero _____Falso 19. Para que un cuerpo cambie de dirección de necesita una fuerza _____Verdadero _____Falso 20. Si aplicamos las mismas fuerzas a objetos de diferentes masas, su aceleración es la misma. _____Verdadero _____Falso

Nota: La aplicación de ésta evaluación es netamente académica. Sus resultados serán empleados para el desarrollo de TRABAJO FINAL denominado: ¿CÓMO ENSEÑAR EL

CONCEPTO FUEZAS DESDE UN PUNTO DE VISTA CUALITATIVO A ESTUDIANTES DE LA COMUNIDAD KANKUAMA?

51 Anexos

C. Anexo: Actividad de preguntas abiertas sobre aplicación de las

leyes de Newton

Inicialmente se le realiza esta serie de preguntas abiertas para conocer el

concepto que tienen de fuerza, en la aplicación de las leyes de Newton.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA MAESTRÍA EN ENSEÑANZA DE LAS CIENCIAS EXACTAS Y NATURALES

ÁREA: CIENCIAS NATURALES – ASIGNATURA: FÍSICA I. E. SAN ISIDRO LABRADOR –ATANQUEZ RESGUARDO INDÍGENA KANKUAMO

GRADO UNDÉCIMO J.U. DOCENTE: JAIDER ENRIQUE ARIAS ARIAS

APLICACIÓN DE LAS LEYES DE NEWTON

Asignatura: Física Sección: __2 horas Fecha: ____________________

Nombre del estudiante: ________________________________ Grado: ________

Tema: Concepto de fuerza

Querido estudiante, a usted se le va a aplicar una actividad de preguntas abiertas con el propósito de conocer algunos aspectos relacionados con los conceptos de fuerza en la aplicación de las leyes de Newton que usted maneja, los cuales serán de mucha importancia para la realización de una propuesta metodológica para el aprendizaje de dichas fuerzas y poder mejorar en ustedes sus competencias en física. De antemano agradezco su colaboración.

ACTIVIDAD: Aplicaciones de las leyes de Newton.

1. Un hombre grande y un niño pequeño están de pie, uno frente al otro sobre

una piedra muy lisa sin fricción. Juntan sus manos y se empujan

mutuamente, de modo que se separan. a) ¿Quién se aleja con mayor

rapidez?; b) ¿Quién se aleja más mientras sus manos están en contacto?

2. Una pasajera sentada en la parte trasera de un autobús afirma que se

lesionó cuando el conductor frenó bruscamente, lo que hizo que una maleta

saliera volando hacia ella desde la parte delantera del autobús. Si usted

fuese el juez en este caso, ¿qué sentencia haría? ¿Por qué?


3. ¿Qué quiere decir que un objeto en movimiento tiene inercia? Describa con

un ejemplo.

4. Un hombre sujeta una cuerda ligera que pasa sobre una polea sin fricción

unida al techo de una casa. Al otro extremo de la cuerda se amarra un saco

de arena precisamente igual en peso del hombre. Tanto el saco como el

hombre al inicio están en reposo. El hombre escala la cuerda, a veces

acelerando y frenando mientras lo hace. ¿Qué ocurre con el saco de

arena? Explique.

5. Una panela Atanquera está en equilibrio sobre una mesa. ¿Qué fuerzas

actúan sobre ella? ¿Cuál es la fuerza de reacción para cada una de ellas?

¿Cuáles son los pares acción-reacción?

6. Ejemplos de diagramas de cuerpo libre. En cada caso, el diagrama de

cuerpo libre muestra todas las fuerzas externas que actúan sobre el objeto

en cuestión. Dibuje las fuerzas para: la macana, un niño saltando

encostalado (cuando inicia el salto, cuando está en el aire, cuando aterriza)

53 Anexos

7. Considere dos personas que tiran en direcciones opuestas de los extremos

de una cuerda. Por la tercera ley de Newton, la fuerza que A ejerce sobre B

es tan grande como la que B ejerce sobre A. Entonces, ¿qué determina

quién gana? (Sugerencia: dibuje un diagrama de cuerpo libre que muestre

todas las fuerzas que actúan sobre cada persona.)

8. Un burro con un niño montado sobre él. El burro va muy de prisa y de

repente frena, agachando la cabeza, y entonces el niño siguen avanzando

encima de la cabeza del burro hasta caer. ¿Por qué el niño sigue

avanzando, cuando el burro, estando en movimiento, frena y agacha la

cabeza?

9. Una bola que rueda por el piso no continúa rodando indefinidamente. ¿esto

es porque busca un lugar de reposo o porque alguna fuerza actúa sobre

ella? Si hay una fuerza ¿Cuál sería ésta?

10. En un diagrama de cuerpo libre se muestran todas las fuerzas externas que

actúan sobre el objeto en cuestión. El dibujo que mejor representa las

fuerzas para la macana es:

jaider enrique arias arias · 4. propuesta didáctica 15 4.1 el concepto de fuerza en el entorno...

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