Tema 5: ENERGÍA MECÁNICA Y TRABAJO: ENERGÍA Y TIPOS DE ENERGÍA 2ª Unidad “FENÓMENOS MECÁNICOS” del programa de Física I. Energía cinética Energía potencial Conservación de la energía mecánica Trabajo y transferencia de energía mecánica y potencia Energía en procesos disipativos OBJETIVO: El alumno comprenderá, analizará, calculará y aplicará los conceptos de energía cinética y potencial, trabajo y potencia. 1. MATERIAL Y EQUIPO Computadora. Proyector. Bocinas. Pantalla. Video “Energía y trabajo” Pizarrón (Gises de color y borrador). Ayudas visuales en general. Banco Bascula Calculadoras Soporte universal con polea. Dinamómetro Pesas (50, 100, 250, 300g Rompecabezas. Copias para los alumnos (cuestionarios, práctica, tarea). Regla de 1 m 1 TRABAJO Y ENERGÍA CUESTIONARIO NOMBRE: __________________________________________________ GRUPO: _________________________ FECHA: _________________ 1. ¿CUÁNTOS TIPOS DE ENERGÍA HAY? ENERGÍA MECÁNICA ENERGÍA ___________________ ENERGÍA___________________ 2. ¿Qué es trabajo? 3. ¿Qué es energía? 4. ¿Qué es potencia? 2 5. ¿CUÁLES SON LAS FORMULAS DE TRABAJO, ENERGÍA CINÉTICA Y ENERGÍA POTENCIAL? TRABAJO ENERGÍA CINÉTICA ENERGÍA POTENCIAL 6. ¿CUÁL ES LA UNIDAD DE MEDICIÓN DE LA ENERGIA? 7. ¿ CUÁL ES LA FORMULA PARA LA POTENCIA Y SU UNIDAD DE MEDICIÓN? 3 TRABAJO Y ENERGÍA (VIDEO) CUESTIONARIO RESUELTO NOMBRE: __________________________________________________ GRUPO: _________________________ FECHA: _________________ 1. ¿CUÁNTOS TIPOS DE ENERGÍA HAY? ENERGÍA MECÁNICA ENERGÍA CINETICA ENERGÍA POTENCIAL 2. ¿QUÉ ES TRABAJO? R.- El trabajo se define como el proceso a través del cual una fuerza que actúa sobre un cuerpo, produce el desplazamiento del mismo. 3. ¿QUÉ ES ENERGÍA? R.- Al mirar a nuestro alrededor se observa que las plantas crecen, los animales se trasladan y que las máquinas y herramientas realizan las más variadas tareas. Todas estas actividades tienen en común que precisan del concurso de la energía. La energía es una propiedad asociada a los objetos y sustancias y se manifiesta en las transformaciones que ocurren en la naturaleza. La energía se manifiesta en los cambios físicos, por ejemplo, al elevar un objeto, transportarlo, deformarlo o calentarlo. La energía está presente también en los cambios químicos, como al quemar un trozo de madera o en la descomposición de agua mediante la corriente eléctrica. 4 4. ¿QUÉ ES POTENCIA? Es la rapidez con que se realiza un trabajo. 5. ¿CUÁLES SON LAS FORMULAS DE TRABAJO, ENERGÍA CINÉTICA Y ENERGÍA POTENCIAL? ENERGÍA CINÉTICA TRABAJO W=Fd E k = 1 m v2 ENERGÍA POTENCIAL EP = F d 2 EP = mgh 6. ¿CUÁL ES LA UNIDAD DE MEDICIÓN DE LA ENERGÍA? Kg m2 s2 Joules =Nm FÍSICA I 7. ¿ CUÁL ES LA FORMULA PARA LA POTENCIA Y SU UNIDAD DE MEDICIÓN? Potencia Trabajo Tiem po Watt Joule Segundo 5 ACTIVIDAD EXPERIMENTAL UNIDAD 2 :“FENÓMENOS MECÁNICOS” En esta unidad se hace énfasis en la importancia de las interacciones mecánicas como una forma de acercarse a la interpretación del mundo que nos rodea; se consideran dos ejes: la síntesis newtoniana y el concepto de energía como elementos integradores de la Física y de otras ramas de la ciencia. Se pretende que el alumno observe en las Leyes de Newton y de la Gravitación Universal una síntesis de la mecánica que explica el movimiento de los cuerpos. Es importante que en el desarrollo de la unidad se destaque que la mecánica se sustenta en principios fundamentales, productos de la observación y la experimentación, así como su importancia en el desarrollo tecnológico y su impacto en la sociedad. PROPÓSITOS Al finalizar tema, el alumno: Comprenderá que la energía permite la descripción del movimiento y sirve de eje en el estudio de los fenómenos físicos. APRENDIZAJES Asocia la interacción entre objetos con procesos de transferencia de energía y a éstos con el trabajo, y resuelve ejercicios de cálculo de energía mecánica, trabajo y fuerza que interviene. Comprende los conceptos de energía cinética y calcula en diversos sistemas. Emplea el concepto de trabajo en la cuantificación la transferencia de energía. Conoce el concepto de potencia. 6 CONTEXTO Si observas a tú alrededor, verás que la energía hace que las cosas sucedan, por ejemplo: durante el día, el sol nos proporciona energía en forma de luz y de calor. Apenas obscurece, recurrimos a los focos, usan energía eléctrica para iluminar; un auto se mueve gracias a la gasolina, un tipo de energía almacenada; nuestros alimentos tienen energía almacenada, usamos esa energía para jugar, estudiar… para vivir. Desde una perspectiva científica podemos entender la vida como una complejidad seria de transacciones energéticas en las cuales la energía es transformada de una forma a otra, o transferida de un sistema a otro. Transferimos energía a una pelota cuando la chutamos, transferimos energía a una bicicleta cuando pedaleamos, transferimos energía a un carrito de compras cuando lo empujamos. Transferimos energía a un cuerpo haciendo que se mueva conociéndose como realización de un trabajo. La energía es un concepto físico muy útil, ya que permite analizar una infinidad de fenómenos cotidianos. Para iniciar: 1. Realiza las figuras, ¿en cuál se realiza trabajo mecánico? Explica Figura 1 Carga maleta Figura 2 una Sostener pesas Figura 3 las Empujar coche Figura 4 un Subir con y bajar el pesas freno accionado Conclusión 7 2.- El “hombre más fuerte del mundo” es capaz de arrastrar 27 m una locomotora de tren con una fuerza constante de 12 000 N a) ¿Qué trabajo ha realizado? b) ¿Cuánta energía se transfiere? Una roca de 100 N de peso se eleva de distintas maneras hasta una altura de 2 metros, tal como se indica en las siguientes figuras. ¿En qué caso se realiza mayor trabajo? Demuéstralo. Figura 1 Figura 2 Figura 3 2m 2m 2m Demostración PROBLEMA 8 El ruido en las calles es insoportable, no permite la concentración en tus actividades. Decidido sales a ver que pasa, te das cuenta que el ruido proviene de un edificio que están construyendo. Te quedas observando cómo entierran los pilotes, con la ayuda de una pluma (una grúa enorme), levanta pesos a diferentes alturas y luego los deja caer sobre ellos. Al día siguiente en la clase de física la profesora pide ejemplos donde se manifiestan los tipos de energía (de posición y de movimiento). Algunos compañeros empiezan a dar ejemplos, a ti se te ocurre mencionar el levantamiento de dos pilotes. Partiendo de ese ejemplo la profesora realiza las siguientes preguntas: ¿Cómo se realiza la energía potencial con el trabajo?, ¿De que depende que toda la energía se convierta en trabajo? HIPÓTESIS Comenta con tus compañeros la posible respuesta a este problema y escríbela a continuación. ACTIVIDADES Qué material se les ocurre para comprobar la hipótesis, anótalos a continuación. 9 En caso de que el laboratorio no cuente con ese material, aquí te doy una sugerencia. Arma el sistema mostrado en la figura, utiliza pesas de diferente masa (50, 100, 250, 300 g) y súbelas a la misma altura utilizando la polea. Registra la lectura del dinamómetro en cada caso. Completa la siguiente tabla. No. Fuerza aplicada (N) Altura del F Objeto (m) Masa h objeto M (K g) del Trabajo W=Fh Energía Potencial gravitacional EPG = m g h 1 2 3 4 5 10 6 7 Repite lo anterior, pero ahora sube el mismo objeto (una pesa de 200g) a diferente altura y regístralos en la tabla anterior A partir de tus resultados contesta las siguientes preguntas: 1. Al subir objetos de diferente masa a la misma altura, ¿se realiza el mismo trabajo? Explica. 2. Si sostienes unos instantes el objeto a determinada altura, ¿aplicas más fuerza _____ ¿Cuándo se realiza trabajo sobre el objeto? Explica. 3. Cuando la masa permanece constante, ¿Qué relación existe entre la energía potencial y la altura? 4. Cuando la altura permanece constante, ¿qué relación existe entre la energía potencial y la masa? 5. Compara el trabajo realizado por la fuerza aplicada, con la energía potencial gravitatoria del objeto. Explica tu respuesta. 11 Tienes razón los valores de trabajo (W), y energía potencial gravitacional (EPG), son iguales, recuerda que realizar un trabajo es una manera de transferir energía. Así entonces para conocer la energía que se ha transferido podemos calcular el trabajo realizado. A menudo se dice: el trabajo es una medida de la cantidad de energía transferida. BIBLIOGRAFÍA 1. Bueche Frederick J., Fundamentos de Física, tomo II, México, McGrawHill, 1993 2. Hecht, E., Física 2. Álgebra y trigonometría, México, International Thomson Editores, 1999 3. Hecht, E., Física en perspectiva, México, McGraw-Hill, 1993 4. Hewitt, Paul G. Hewitt, Física conceptual, México, Pearson, 1999 5. Tippens, P., Física. Conceptos y aplicaciones, México, McGraw-Hill, 1994. 12 TRABAJO Y ENERGÍA CUESTIONARIO FINAL NOMBRE: __________________________________________________ GRUPO: _________________________ FECHA: _________________ 1.- ¿Qué es energía mecánica? R.- 2. ¿Cuántos tipos de energía hay? R.- 3.-Define el concepto de trabajo R.- 4.-Aparte de las energías: cinética y potencial ¿qué otros tipos de energía puedes mencionar? Descríbelas R.- Tarea para entregar la próxima clase NOMBRE: __________________________________________________ GRUPO: _________________________ FECHA: _________________ 13 Resuelve el siguiente problema colocando el dibujo del sistema Calcula la energía potencial de uno de tus compañeros el cual se sube a un banco, considera que la gravedad es de 9.8 m . s2 Para obtener los datos que hacen falta se debe de pesar el alumno en Kilogramos en una báscula y medir la altura del banco en metros. DATOS FORMULA DESPEJE SUSTITUCIÓN RESULTAD O 14