física ii

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN ABIERTA Y A DISTANCIA Y VIRTUALIDAD
LICENCIATURA EN EDUCACIÓN BÁSICA CON ÉNFASIS EN CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL
FÍSICA II
MÓDULO EN REVISIÓN
1
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DEL CARIBE
“CECAR”
MÓDULO
FÍSICA II
PROGRAMA DE LICENCIATURA EN EDUCACIÓN BÁSICA CON
ÉNFASIS EN CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL
DIVISIÓN DE EDUCACIÓN ABIERTA Y A DISTANCIA
SINCELEJO, 2014
2
CORPORACIÓN UNIVERSITARIA DEL CARIBE
“CECAR”
MÓDULO
FÍSICA II
Compilador.
JUAN CARLOS GOMEZ GÓMEZ
ESPECIALISTA EN DOCENCIA, EN LA ENSEÑANZA
DE LAS CIENCIAS NATURALES, EN INFORMÁTICA Y TELEMÁTICA
PROGRAMA DE LICENCIATURA EN EDUCACIÓN BÁSICA CON
ÉNFASIS EN CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL
DIVISIÓN DE EDUCACIÓN ABIERTA Y A DISTANCIA
SINCELEJO, 2014
3
TABLA DE CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
CONTEXTO TEÓRICO
5
PROPÓSITOS DE LA ASIGNATURA
6
INSTRUCCIONES PARA EL ABORDAJE DEL MÓDULO
7
UNIDAD UNO
PRINCIPIOS DE CONSERVACIÓN DE MAGNITUDES FÍSICAS
PRESENTACIÓN
8
COMPETENCIAS A DESARROLLAR
9
DINÁMICA PARA CONSTRUIR EL CONOCIMIENTO
10
ATRÉVETE A OPINAR
11
1.1. Conservación de la masa
1.2. Ley de la conservación de la masa
1.3. Ley de la conservación de la masa de Lavoisier
1.4. Impulso y cantidad de movimiento
1.5. Conservación de la cantidad de movimiento
1.6. Choques
1.6.1. Choque plástico o inelástico
1.6.2. Choque elástico
RESUMEN
AUTOEVALUACIÓN
UNIDAD DOS
LA ENERGÍA MECÁNICA
PRESENTACIÓN
57
COMPETENCIAS A DESARROLLAR
57
DINÁMICA PARA CONSTRUIR EL CONOCIMIENTO
58
ATRÉVETE A OPINAR
59
2.1.
Trabajo:
2.2.
Potencia
2.3.
Concepto de energía; energía mecánica y su relación con el trabajo
4
2.4.
La energía mecánica
2.5.
Fuerzas conservativas
RESUMEN
AUTOEVALUACIÓN
74
72
UNIDAD TRES
CALOR Y TEMPERATURA
PRESENTACIÓN
78
COMPETENCIAS A DESARROLLAR
79
DINÁMICA PARA CONSTRUIR EL CONOCIMIENTO
80
ATRÉVETE A OPINAR
3.1.
Energía térmica
3.2.
Medida de la temperatura: termómetros
3.3.
Escalas de temperatura
3.4.
Efectos del calor.
3.5.
Leyes de la termodinámica
RESUMEN
107
AUTOEVALUACIÓN
110
BIBLIOGRAFÍA
111
BIBLIOGRAFÍA DE AUTOR
112
5
INTRODUCCIÓN
Este módulo, producto de la compilación de varias fuentes, está diseñado para el
apoyo de los estudiantes del programa de Licenciatura en Educación Básica con
énfasis en Ciencias Naturales, en el estudio de los fenómenos físicos
relacionados con los principios de conservación de ciertas magnitudes como la
masa, la energía y la cantidad de movimiento, así como los temas relacionados
con la energía mecánica y sus distintas manifestaciones, destacándose también
otras formas de energía como la calórica.
Los temas abordados permitirán a los estudiantes dar explicación apoyada
en las concepciones científicas actuales frente a las situaciones que se le
presenten en su práctica futura como docentes en el área de Ciencias Naturales
para el nivel de Educación Básica.
El contenido temático se desarrolla y presenta en un lenguaje sencillo; al
iniciar el abordaje de los mismos se hace un recuento histórico, los aportes de
cada uno de los autores más destacados, sus aplicaciones
disciplinas del saber y en las actividades humanas cotidianas.
en las distintas
6
CONTEXTO TEÓRICO
FISICA II, es un documento compilado, complementario de la Física I, se
desarrolla con una temática que permite a los estudiantes de Educación Básica
con énfasis en Ciencias Naturales y Educación Ambiental, comprender y explicar
fenómenos relacionados con la materia, la energía mecánica o total, compuesta
por la energía cinética, potencial y entre otras manifestaciones; el calor.
Los contenidos temáticos de este módulo se fundamentan en los trabajos
de científicos que durante mucho tiempo investigaron y crearon teorías que han
servido para explicar y desarrollar técnicas e instrumentos tecnológicos que nos
facilitan la vida en el planeta.
En este ámbito de las ciencias físicas se encuentran los trabajos de
Antoine-Laurent de Lavoisier sobre el principio de conservación de la materia.
Isaac Newton, quien formula la teoría de las leyes de la dinámica y de la
conservación del impulso. Entre otros, se destaca Nicolas Léonard Sadi Carnot
(París, 1 de junio de 1796 - 24 de agosto de 1832), normalmente llamado Sadi
Carnot, fue un ingeniero francés pionero en el estudio de la Termodinámica. Se le
reconoce hoy como el fundador de la Termodinámica.
7
PROPÓSITOS DE LA ASIGNATURA
La Física II del programa de Licenciatura en Educación Básica con énfasis
en Ciencias Naturales y Medio Ambiente, tiene como finalidad la formación de los
estudiantes en la interpretación y explicación del conocimiento científico
relacionado con los conceptos de trabajo, energía, calor y los principios de
conservación tanto de la masa. La cantidad de movimiento, momento angular y la
energía.
El reconocimiento del fenómeno del calor y la temperatura como aspectos
de trascendencia para el estudio de las ciencias física, así como los aportes de
estos en la vida del planeta,
8
INSTRUCCIONES DE MANEJO
Apreciado(a) Estudiante:
El módulo ha sido diseñado para el trabajo autodirigido, de manera que
pueda ser trabajado fuera de las aulas y posteriormente discutirlo con el tutor en
el aula de clases.
Se podrán desarrollar en este módulo las actividades que se proponen en
cada capítulo, para una mejor comprensión se encontrarán esquemas y gráficos
de apoyo a los conceptos desarrollados.
La realización de talleres práctico-teóricos son fundamentales para la
comprensión de los conceptos aquí desarrollados. Así mismo, la solución de los
problemas y ejercicios planteados permitirá enriquecer las soluciones particulares
de los grupos de trabajo.
Para el estudiante, se recomienda que complemente la información
desarrollada en este documento consultando los textos referenciados en la
bibliografía, así como en bases de datos y otras fuentes de Internet.
Así mismo, se sugiere que:
1.
Considere el módulo como una herramienta que le permitirá fortalecer sus
conocimientos.
2.
Prepare cada uno de los temas con antelación a la reunión con el tutor, para
que plantee sus preguntas e inquietudes al respecto.
3.
Siga los contenidos programáticos de cada unidad, para que encuentre
sentido a la aplicación de los preceptos teóricos en el campo práctico.
4.
Complemente sus actividades con la consulta de documentos, revistas
afines, sitios Web, etc., que fortalezcan el estudio de los temas propuestos
en el módulo.
5.
Antes de continuar con las actividades propuestas en el módulo debe haber
desarrollado con claridad en cada unidad la sección de autoevaluación.
Pregunte, discútalos con sus compañeros o profesor y,
adecuada comprensión, continúe.
después de su
9
UNIDAD 1
1
1. Principios de Conservación de Magnitudes
Físicas
PRESENTACIÓN
En la presente unidad se exponen conocimientos relacionados con los
principios de conservación de ciertas magnitudes objeto de estudio en la física
como son la masa, la energía en sus distintas manifestaciones y entre otros
temas, la cantidad de movimiento de los cuerpos en un sistema y los temas
relacionados con el calor y la temperatura.
Para un mejor desarrollo didáctico en el proceso de enseñanza y
aprendizaje de estos temas, se presentan vínculos con videos educativos
disponibles en la plataforma youtube de internet como complemento para la
comprensión de los mismos.
COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Al finalizar el estudio de esta unidad, el estudiante:
 Explica el principio de conservación para algunas magnitudes físicas
como la masa, la energía y de la cantidad de movimiento
 Da ejemplos de conservación de la masa y de la energía
 Identifica las distintas modalidades en las que se manifiesta la energía
en la naturaleza
 Establece diferencias entre los conceptos de calor y temperatura
 Reconoce en situaciones reales las leyes de la termodinámica
10
DINÁMICA PARA CONTRUIR EL CONOCIMIENTO
ACTIVIDAD PREVIA: (Trabajo independiente)
1.
Lea detenida y comprensivamente la Unidad uno.
2.
Responda en forma escrita la Evaluación Inicial, “Atrévete a Opinar”
3.
Haga una síntesis sobre la temática tratada en la unidad. A través de un
esquema o mapa conceptual que le permita su mejor comprensión
4.
Consulte sobre los términos que le sean desconocidos para una mejor
contextualización de los mismos en la temática tratada en el módulo.
5.
Desarrolle secuencialmente las actividades y consulte otras que le sirvan
de complemento y profundización de los temas trabajados en el módulo
ACTIVIDAD EN GRUPO (CIPAS)
1. Reunidos en sus grupos de estudio (CIPAS), socializan las inquietudes
generadas de la lectura individual en la Unidad uno
2. Socialicen las respuestas de la Evaluación Inicial, respondidas previamente
y de manera individual.
3. Desarrollen los ejercicios grupales que se encuentran planteados en la
unidad uno y generar discusión académica en el grupo de estudios según
los aspectos generadores de desacuerdos. Estos ejercicios deben ser
socializados en la sesión junto con todos los compañeros de grupo y
presentados por escrito al tutor.
11
EVALUACIÓN INICIAL – ATRÉVETE A OPINAR
Explique su concepto de materia y de masa
1.
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
¿Cuál es su pensamiento respecto de la expresión
2.
conservación de la masa, del momentum y de la energía?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
3.
¿Explica si es o no correcta la expresión cotidiana “consumo
de energía”?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
ELECTRICIDAD
_________________________________________
________
12
1.1.
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA MASA
Fuente: www.youtube.com
Antoine-Laurent
de
Lavoisier1.
(París, 1743 - id., 1794) Químico francés,
padre de la química moderna. Orientado
por su familia en un principio a seguir la
carrera de derecho, Antoine-Laurent de
Lavoisier
recibió
una
magnífica
educación en el Collège Mazarino, en
donde
fundamentos
en
materia
científica,
sino
adquirió
también
no
una
sólo
sólida
buenos
formación
humanística.
Lavoisier ingresó luego en la facultad de derecho de París, donde se graduó
en 1764, por más que en esta época su actividad se orientó sobre todo hacia la
investigación científica. En 1766 recibió la medalla de oro de la Academia de
Ciencias francesa por un ensayo sobre el mejor método de alumbrado público
para grandes poblaciones. Con el geólogo J.E. Guettard, confeccionó un atlas
mineralógico de Francia. En 1768 presentó una serie de artículos sobre análisis
1
http://www.biografiasyvidas.com/biografia/l/lavoisier.htm
13
de muestras de agua, y fue admitido en la Academia, de la que fue director en
1785 y tesorero en 1791.
Su esposa, Marie Paulze, con quien se casó en 1771, fue además su más
estrecha colaboradora, e incluso tradujo al inglés los artículos redactados por su
esposo. Un año antes, éste se había ganado una merecida reputación entre la
comunidad científica de la época al demostrar la falsedad de la antigua idea,
sostenida incluso por Robert Boyle, de que el agua podía ser convertida en tierra
mediante sucesivas destilaciones.
La especulación acerca de la naturaleza de los cuatro elementos
tradicionales (aire, agua, tierra y fuego) llevó a Lavoisier a emprender una serie de
investigaciones sobre el papel desempeñado por el aire en las reacciones de
combustión. Presentó a la Academia los resultados de su investigación en 1772, e
hizo hincapié en el hecho de que cuando se queman el azufre o el fósforo, éstos
ganan peso por absorber «aire», mientras que el plomo metálico formado tras
calentar el plomo mineral lo pierde por haber perdido «aire». A partir de los
trabajos de Priestley, acertó a distinguir entre un «aire» que no se combina tras la
combustión o calcinación (el nitrógeno) y otro que sí lo hace, al que denominó
oxígeno (productor de ácido).
Los resultados cuantitativos y demás evidencias que obtuvo Lavoisier se
oponían a la teoría del flogisto, aceptada incluso por Priestley, según la cual una
sustancia hipotética –el flogisto– era la que se liberaba o se adquiría en los
procesos de combustión de las sustancias. Lavoisier publicó en 1786 una brillante
refutación de dicha teoría, que logró persuadir a gran parte de la comunidad
científica del momento, en especial la francesa; en 1787 se publicó el Méthode de
nomenclature chimique, bajo la influencia de las ideas de Lavoisier, en el que se
clasificaron y denominaron los elementos y compuestos entonces conocidos.
En 1789, en colaboración con otros científicos fundó Annales de Chimie,
publicación monográfica dedicada a la nueva química. La expansión de la doctrina
defendida por Lavoisier se vio favorecida con la publicación en 1789 de su obra
Tratado elemental de química. De este libro, que contiene una concisa exposición
14
de su labor, cabe destacar la formulación de un primer enunciado de la ley de la
conservación de la materia.
También efectuó investigaciones sobre la fermentación y sobre la respiración
animal. De los resultados obtenidos tras estudiar el intercambio de gases durante
el proceso de respiración, en una serie de experimentos pioneros en el campo de
la bioquímica, concluyó que la respiración es un tipo de reacción de oxidación
similar a la combustión del carbón, con lo cual se anticipó a las posteriores
explicaciones del proceso cíclico de la vida animal y vegetal.
Lavoisier fue asimismo un destacado personaje de la sociedad francesa de
su tiempo. De ideas moderadas, desempeñó numerosos cargos públicos en la
Administración del Estado, si bien su adhesión al impopular Ferme Générale le
supuso la enemistad con el revolucionario Marat. Un año después del inicio del
Terror, en mayo de 1794, tras un juicio de tan sólo unas horas, un tribunal
revolucionario lo condenó a la guillotina.
Tomado de:
http://www.biografiasyvidas.com/biografia/l/lavoisier.htm
El tema de la conservación de la masa es estudiado en un área de las
Ciencias naturales; La Química, y se conoce cómo:
Estequiometría: Rama de la química que estudia las relaciones
cuantitativas (masa, mol, volumen etc) de las sustancias y de éstas en las
reacciones químicas (Reactivos y productos).
1.1.1. Ley de la conservación de la masa de Lavoisier
15
La combustión, uno de los grandes problemas de la química del siglo
XVIII, despertó el interés de Lavoisier porque éste trabajaba en un ensayo sobre
la mejora de las técnicas del alumbrado público de París. Comprobó que al
calentar metales como el estaño y el plomo en recipientes cerrados con una
cantidad limitada de aire, estos se recubrían con una capa de calcinado hasta un
momento determinado en que ésta no avanzaba más. Si se pesaba el conjunto
(metal, calcinado, aire, etc.) después del calentamiento, el resultado era igual al
peso antes de comenzar el proceso. Si el metal había ganado peso al calcinarse,
era evidente que algo del recipiente debía haber perdido la misma cantidad de
masa. Ese algo era el aire. Por tanto, Lavoisier demostró que la calcinación de un
metal no era el resultado de la pérdida del misterioso flogisto, sino la ganancia de
algo muy material: una parte de aire.
La experiencia anterior y otras más realizadas por Lavoisier pusieron de
manifiesto que si tenemos en cuenta todas las sustancias que forman parte en
una reacción química y todos los productos formados, nunca varía la masa. Esta
es la ley de la conservación de la masa, que podemos enunciarla, pues, de la
siguiente manera:
"En toda reacción química la masa se conserva, esto es, la masa total
de los reactivos es igual a la masa total de los productos"
Está importante ley se enuncia del modo siguiente: en una reacción
química, la suma de las masas de las sustancias reaccionantes es igual a la suma
de las masas de los productos de la reacción (la materia ni se crea ni se destruye
solo se transforma).
Este resultado se debe al químico francés A.L. Lavoisier, quien lo formulo
en 1774. Anteriormente se creía que la materia era destructible y se aducía como
ejemplo: la combustión de un trozo de carbón que, después de arder, quedaba
reducido a cenizas, con un peso muy inferior, sin embargo, el uso de la balanza
permitió al científico galo comprobar que si se recuperaban los gases originados
16
en la combustión, el sistema pesaba igual antes que después de la experiencia,
por lo que dedujo que la materia era indestructible.
Los experimentos de Lavoisier fueron de los primeros experimentos
químicos realmente cuantitativos que se realizaron. Demostró que en una
reacción química, la cantidad de materia es la misma al final y al comienzo de la
reacción. Estos experimentos proporcionaron pruebas para la ley de la
conservación de la materia y la masa. Lavoisier también investigó la composición
del agua y denominó a sus componentes oxígeno e hidrógeno.
Algunos de los experimentos más importantes de Lavoisier examinaron la
naturaleza de la combustión, demostrando que es un proceso en el que se
produce la combinación de una sustancia con el oxígeno. También reveló el papel
del oxígeno en la respiración de los animales y las plantas. La explicación de
Lavoisier de la combustión reemplazó a la teoría del flogisto, sustancia que
desprendían los materiales al arder.
Ejemplo: Tomemos 1.5 gramos de AgNO3 y lo disolvemos en agua, lo
ponemos en contacto con cobre y se crea Ag, que pesa 0,88. Luego a esta plata
se le añade HNO3 y se vuelve a crear AgNO3 que ahora debería pesar 1.5 g, pero
al haber perdido un poco en los pasos anteriores, por ejemplo impregnada en la
varilla oxidación que se haya caído del vaso, pesa 1.46g. Ahora este AgNO3 se
mezcla con 1g NaCl y se forma un sólido, se filtra y la disolución se deja evaporar,
se pesan las dos sustancias y al sumarlas tiene que dar 2.5g, uno de NaCl y 1,5
de AgNO3 pero al haber perdido otra vez sólo pesa 2,44g. Si la práctica se
hubiera realizado perfectamente pesaría más, porque en los primeros pasos se ha
arrastrado un poco de cobre. 2 AgNO3 + Cu ® 2Ag + CuNO3
HNO2 + AgNO3
Ag + HNO3
AgNO3 + NaCl ® AgCl + NaNO3
Ver información complementaria en: http://www.youtube.com/watch?v=Pnil9RKTalo
®
17
1.1.2. IMPULSO Y CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Según el principio de masa, si a ésta se le aplica una fuerza F, adquiere
una aceleración a :
F = m.a
Siendo:
F: fuerza [F] = N (Newton)
a: aceleración [a] = m/s ²
m: masa [m] = kg
Multiplicando ambos miembros por el tiempo t en que se aplica la fuerza F:
F.t = m.a.t
Como:
a.t = v
siendo:
v: velocidad [v] = m/s
t: tiempo [t] = s
Tenemos:
F.t = m.v
Al término F.t se lo denomina impulso de la fuerza y al término m.v se lo
denomina cantidad de movimiento, entonces, para el primero:
I = F.t
siendo:
I: impulso [I] = kg.m/s
para el segundo:
18
p = m.v
siendo:
p: cantidad de movimiento [p] = kg.m/s
Para deducir las unidades, tenemos:
F.t = m.v
N.s = kg.m/s N = kg.m/s ²
kg.m/s ².s = kg.m/s
luego:
[I] = [p] = kg.m/s = N.s
El impulso de la fuerza aplicada es igual a la cantidad de movimiento que
provoca, o, dicho de otro modo, el incremento de la cantidad de movimiento de
cualquier cuerpo es igual al impulso de la fuerza que se ejerce sobre él.
Unidades en los distintos sistemas
c.g.s.
Cantidad de movimiento g.m/s
Impulso
din.s
S.I.
Técnico
kg.m/s
N.s
kgf.s
kgf.s
El impulso y la cantidad de movimiento son magnitudes vectoriales.
1.1.3. CONSERVACIÓN DE LA CANTIDAD DE MOVIMIENTO
Si con un cuerpo de masa m1 y velocidad v1 se aplica una fuerza a otro
cuerpo de masa m2 y velocidad v2, como por ejemplo, en un saque de tenis, en
ese instante es aplicable el principio de acción y reacción y tenemos que:
m1.v1 = m2.v2
19
Es decir, la masa de la raqueta por su velocidad, en el momento del
choque, debe ser igual a la masa de la pelota de tenis por la velocidad que
adquiere.
Enunciando la Ley de conservación de la cantidad de movimiento dice:
En cualquier sistema o grupo de cuerpos que interactúen, la cantidad
de movimiento total, antes de las acciones, es igual a la cantidad de
movimiento total luego de las acciones.
Σm.v = 0
mi.vi = mf.vf
ΔP = Δp1 + Δp2
1.1.4. CHOQUES
Se produce choque entre dos cuerpos cuando uno de ellos encuentra en
su trayectoria a otro y produciéndose contacto físico.
Al producirse el choque también se producen deformaciones en ambos
cuerpos, éstas pueden desaparecer de inmediato o perdurar. Si las
deformaciones desaparecen rápidamente significa que se ha producido un
choque elástico. Por el contrario, si permanecen, se ha producido un choque
inelástico o plástico.
En ambos casos ocurre una variación de la energía cinética que se
transformará en calor que disiparán los cuerpos.
Choque plástico o inelástico
b) Velocidades de igual dirección y sentido.
20
Supongamos un cuerpo 1 de masa m1 y velocidad v1 que se dirige a hacia
el cuerpo 2 de masa m2 y velocidad v2, siendo ambas velocidades de igual
dirección y sentido. Sobre cada cuerpo actuó, en el momento del choque, el
impulso que le provocó el otro cuerpo. Entonces hay dos acciones de igual
intensidad y sentido contrario, en consecuencia, ambas cantidades de
movimiento serán iguales y de sentido contrario. Luego del choque ambos
cuerpos continúan juntos con una velocidad final común a ambos.
La velocidad final será:
m1.v1i + m2.v2i = m1.v1f + m2.v2f
como v1f y v2f son iguales porque ambos cuerpos siguen juntos:
v1f = v2f = vf
m1.v1i + m2.v2i = (m1 + m2).vf
vf = (m1.v1i + m2.v2i)/(m1 + m2)
21
b) Velocidades de igual dirección y sentido contrario.
En este caso los cuerpos poseían velocidades de igual dirección pero de sentido
contrario antes del choque; como en el caso anterior, luego del impacto
continúan juntos, con una velocidad final que estará dada por la diferencia de las
cantidades de movimiento. La elocidade final será:
m1.v1i – m2.v2i = m1.v1f + m2.v2f
igualmente:
v1f = v2f = vf
m1.v1i – m2.v2i = (m1 + m2).vf
vf = (m1.v1i – m2.v2i)/(m1 + m2)
La velocidad final mantendrá la misma dirección, pero tendrá el sentido de la
velocidad del cuerpo que antes del choque tenga más cantidad de movimiento.
Choque elástico
b) Velocidades de igual sentido
Durante el choque cada cuerpo recibe una cantidad de movimiento que es igual
a la velocidad perdida por el otro. Al recuperar su forma inicial, cada uno pierde o
gana respectivamente, la cantidad de movimiento ganada o perdida en el
momento del choque, la velocidad final de cada uno será:
v1f = (v2f + v2i).m2/m1 + v1i
ó:
v1f = v2f + v2i – v1i
b) Velocidades de distinto sentido
22
En este caso los cuerpos literalmente rebotan, y la velocidad final de cada uno
será:
v1f = (v2f – v2i).m2/m1 + v1i
El principio de conservación del impulso es el mismo que el de conservación de
la cantidad de movimiento.
Cabe aclarar que en la práctica podemos aplicar el principio de conservación de
la cantidad de movimiento durante los choques, siempre que el tiempo que dura
el impacto sea muy pequeño.
RESUMEN
Existen en la naturaleza ciertas magnitudes físicas que no se crean y tampoco se
destruyen, sólo se transforman, en esta unidad se revisan la conservación de la
materia, la cantidad de movimiento, el momentum angular y la energía.
Para el primer caso, la masa de un sistema permanece invariable cualquiera que
sea la transformación que ocurra dentro de él; esto es, en términos químicos, la
masa de los cuerpos reaccionantes es igual a la masa de los productos en
reacción. Así fue enunciada en el año 1745, Mijaíl Lomonosov. En el mismo año,
y de manera independiente, el químico Antoine Lavoisier propone que “la materia
no se crea ni se destruye, sólo se transforma”. Es por esto que muchas veces la
ley de conservación de la materia es conocida como ley de LavoisierLomonosov1.1
En la dinámica se estudia otra magnitud para dar explicación a situaciones
relacionadas con el tiempo de aplicación de una fuerza sobre un cuerpo
cualquiera, la cual se conoce con el nombre de impulso y expresada también bajo
el concepto de cantidad de movimiento; no es el mismo fenómeno, el movimiento
de una bala a 2 m/s que a 300m/s, o una tractomula viajando a 80Km/h que una
23
motocicleta con esta misma velocidad. Pero, sí se cumple que la cantidad de
movimiento de un sistema se conserva en todo momento, aun cuando varíen las
variables.
Veamos estos conceptos en el siguiente esquema:
Situación similar se da con la energía de un sistema, la cual se conserva en su
totalidad, pero se puede transformar en otras formas, en cualquier caso la
sumatoria de las energías es constante en cualquier momento de un proceso.
24
AUTOEVALUACIÓN DE LA UNIDAD
Analiza y resuelve cada una de las siguientes situaciones
1. Desde el extremo de una plataforma móvil de 70 kg, inicialmente en
reposo, un niño de 35 kg corre hacia el otro extremo a una velocidad
constante de 1 m/s (respecto de la plataforma).
a. Calcula la velocidad de la plataforma y el sentido de su movimiento.
b. ¿Qué principio físico aplicas?
2. Un niño de 45 kg está en el extremo de una plataforma de 78 kg y 1,8 m de
longitud. El niño se desplaza hasta el extremo opuesto de la plataforma.
Supondremos que no hay rozamiento entre la plataforma y el suelo.
a.
¿Cuánto se desplaza el centro de masas del sistema formado por la
plataforma y el niño?. Explique su respuesta.
b.
¿Cuánto se desplaza el niño respecto del suelo? ¿Cuánto se
desplaza la plataforma respecto del suelo?
3. Una partícula de 9 kg de masa, moviéndose a 3,5 m/s, choca contra otra
partícula de 10 kg de masa inicialmente en reposo. Si el choque es frontal y
elástico, hallar la velocidad de cada partícula después del choque.
4. Un núcleo U en reposo se divide en dos fragmentos con masas de 140 y 90
u.m.a.. La Q de la reacción es de 190 MeV. (un mega M es 106 veces).
Datos: 1 u.m.a. = 1.66 10-27 kg, 1eV = 1.6 10-19 J.
a. Hallar las velocidades de cada uno de los dos fragmentos.
25
5. Un cuerpo de 6 kg de masa se mueve sobre una mesa lisa con velocidad
de 12 m/s y choca contra otro cuerpo de 9 kg de masa, que se desplaza en
dirección perpendicular al anterior con velocidad de 4 m/s. Ambos bloques
después del choque quedan unidos y se desplazan juntos. Calcular:
a. La velocidad de ambos después del choque.
b. La dirección de su velocidad.
c.
La pérdida de energía cinética en el choque
6. Una partícula de masa 0.3 kg moviéndose a 0.5 m/s choca contra otra
partícula de masa 0.28 kg que está en reposo. Después del choque la
primera partícula se mueve a 0.3 m/s en una dirección que hace un ángulo
de 40º con la dirección original.
a. Hallar la velocidad de la segunda partícula.
7. Una partícula de masa 4 kg y velocidad 2 m/s choca contra otra de 3 kg
que está en reposo. La primera se desvía –45º respecto de la dirección
inicial y la segunda 30º.
a. Calcular las velocidades de ambas partículas después del
choque.
b. ¿Es elástico?
6.
Una partícula de 5 kg de masa moviéndose a 2 m/s choca contra otra
partícula de 8 kg de masa inicialmente en reposo. Si la primera partícula se
desvió 50º de la dirección original del movimiento.
a. Determina la velocidad de cada partícula después del choque.
Sabiendo que el choque es elástico
Más ejercicios en:
1. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_//problemas/dinamica/sistemas/problem
as/choques_problemas.html
2. http://es.scribd.com/doc/83048917/Fisica-Ejercicios-Resueltos-SolucionesImpulso-Choques-y-Cantidad-de-Movimiento-1%C2%BA-Bachillerato
3. http://fisica-mecanica.wikispaces.com/file/view/Ejercicios%20resueltos.pdf
26
2
UNIDAD 2
TRABAJO, POTENCIA Y ENERGÍA
COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Con el estudio de esta unidad el estudiante:
 Distingue la diferencia entre el concepto científico y el coloquial del término
“trabajo”.
 Conceptúa sobre potencia, energía mecánica y conocer los aspectos bajo
los que se presenta.
 Reconoce las transformaciones de energía para explicar algunos
fenómenos cotidianos.
 Comprende el significado del principio de conservación de la energía y
aplicarlo a transformaciones energéticas sencillas.
 Explica situaciones cotidianas y de su énfasis “Ciencias Naturales”
aplicando los principios de energía y sus formas de trasformación en la
naturaleza y de manera artificial.
27
DINÁMICA PARA CONTRUIR EL CONOCIMIENTO
ACTIVIDAD PREVIA: (Trabajo independiente)
1.
Lea detenida y comprensivamente la unidad dos.
2.
Responda en forma escrita y socialice en el grupo, la Evaluación Inicial,
“Atrévete a Opinar”.
3.
Elabore un resumen o esquema sobre la temática tratada en la unidad. A
través de un esquema o mapa conceptual que le permita su mejor
comprensión
4.
Consulte en varias fuentes sobre los términos y conceptos que le sean
desconocidos.
5.
Desarrolle secuencialmente las actividades y consulte otras que le sirvan
de complemento y profundización de los temas trabajados en el módulo
ACTIVIDAD EN GRUPO (CIPAS)
1.
Reunidos en sus grupos de estudios (CIPAS), socializan las inquietudes
generadas de la lectura individual en la Unidad Dos
2.
Socialicen las respuestas de la Evaluación Inicial, respondidas previamente
y de manera individual.
3.
Desarrollen los ejercicios grupales que se encuentran planteados en la
unidad tres y generar discusión académica en el grupo de estudios según
los aspectos generadores de desacuerdos. Estos ejercicios deben ser
socializados en la sesión junto con todos los compañeros de grupo y
presentados por escrito al tutor.
28
EVALUACIÓN INICIAL – ATRÉVETE A OPINAR
1.
Explica: En qué situaciones es válido hacer uso del
concepto de trabajo
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
Expresa. Su concepto de energía y describe las formas en
2.
que se presenta en la naturaleza
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
3.
Describe las fuentes de energía que conoces
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
29
2. TRABAJO Y ENERGÍA2
PRESENTACIÓN
El planeta Tierra es la tercera roca más cercana al Sol. No sólo proporciona
a la humanidad un lugar para habitar, también provee de recursos minerales y
suelos que conforman una parte del ecosistema terrestre, los cuales son
necesarios para la vida. Desde una perspectiva ambiental es preocupante la
disminución de recursos naturales y los efectos de su uso.
Los problemas como el calentamiento global, cambio climático, el
efecto de invernadero y el agotamiento del ozono, las lluvias ácidas por la
industrialización
únicamente
excesiva
palabras
en
son
temas
muchos
que
estudios.
han
transcendido
de
ser
Son sentidos los desórdenes
regionales y mundiales, que en la actualidad ocupan los encabezados de
periódicos, revistas, documentales y congresos científicos, los cuales debemos
enfrentar. Pero, ¿cuáles son las soluciones?
Como bien es sabido, la verdadera vía para dar respuesta a estos
problemas es adoptando y/o modificando nuestra forma de consumo de energía a
través de fuentes alternas ambientalmente compatibles con la naturaleza. Entre
ellas tenemos la energía hidráulica, biomasa, geotérmica, eólica y solar entre
otras
2
TIPLER P, Física. Tomo I - II. Reverté. 1990.
30
2.1.
TRABAJO:
En el lenguaje ordinario, al emplear el término trabajo nos referimos a todo
aquello que supone un esfuerzo ya sea físico o mental y que, por tanto, produce
cansancio. Sin embargo, el concepto científico de trabajo es mucho más preciso e
implica la existencia de una fuerza y de un desplazamiento.
Desde el punto de vista histórico esta definición tiene su origen en la revolución
industrial, en cuyo contexto la eficacia de una máquina podría medirse como el
producto del peso que la máquina era capaz de levantar por la altura a la cual lo
desplazaba.
Podemos distinguir:

TRABAJO DE UNA FUERZA CONSTANTE: Sea F una fuerza constante (en
módulo, dirección y sentido) que desplaza un objeto. Se define el trabajo W
de dicha fuerza como el producto escalar de los vectores fuerza y
desplazamiento:
W = F.s = F.r.cosα
31
Es ésta una definición operacional del trabajo, pues indica qué operación
es necesario efectuar para calcularlo; de acuerdo con ella, para que se realice
trabajo en el sentido físico del término, no sólo debe existir una fuerza que actúe
sobre un cuerpo, sino que además debe producirse un desplazamiento. Así, un
hombre empujando un muro rígido sin conseguir desplazarlo, a pesar de
cansarse, no realizaría trabajo físico alguno
Cuando a = 90º, cuando la fuerza es perpendicular al desplazamiento no se
produce trabajo.
W = F.r = F.r.cos90º = 0
Podemos imaginarnos ejemplos en que ocurra esto:
En el S.I. la unidad de trabajo es el Julio, que se define como el trabajo
efectuado por una fuerza de 1N que logra un desplazamiento de 1 m.

TRABAJO DE UNA FUERZA VARIABLE: La anterior definición puede
generalizarse al caso de que la fuerza varíe de un punto a otro a lo largo del
desplazamiento. En este caso consideraremos desplazamientos diferenciales,
tan pequeños que en cada uno de ellos podamos considerar la fuerza como
constante, de esta forma el trabajo realizado en cada uno de estos
desplazamientos se calcula como el sumatorio de cada desplazamiento
diferencial:
W = ∑ F dr
32
2.2.
POTENCIA
Cuando se va a comprar una máquina para desarrollar un determinado
trabajo, en la mayoría de los casos no nos importa la cantidad total de trabajo que
esta puede realizar sino la rapidez con que lo hace.
La potencia mide la rapidez con que se realiza un trabajo
se mide J/s=vatios (w)
El caballo de vapor es una unidad de potencia, que aunque no pertenece al S.I. sigue
siendo muy usada. 1CV = 735 w
La potencia puede expresarse en función de la velocidad:
¿De qué magnitud será unidad el Kilovatio hora, Kw.h? DE TRABAJO ya que
P.t=W
Más información aquí:
33
2.3.
CONCEPTO DE ENERGÍA; ENERGÍA MECÁNICA Y SU RELACIÓN CON
EL TRABAJO
El concepto de energía es una de las nociones fundamentales de la física y, a
la vez, una de las más misteriosas. Los físicos no saben muy bien lo que es la
energía en el sentido de conocer su constitución, no saben por qué está formada
o cuál es su auténtica naturaleza.
La Energía es un concepto abstracto, pero se le puede describir ya que
presenta una serie de rasgos básicos:

Siempre está relacionada con procesos de transformación. La
Naturaleza siempre está cambiando: cambios de posición, de velocidad, de
estado físico.... Todo cambio va acompañado de algo, que nosotros
llamamos energía.
La energía es una propiedad de los cuerpos que permite que estos se
transformen o que produzcan transformaciones en otros cuerpos.
La energía es la capacidad de realizar trabajo.
Así,
damos distintos nombres a la energía
dependiendo de la
transformación a la que está asociada. Por ejemplo:
 Energía Química: Relacionada con la transformación en la
naturaleza de la materia.
 Energía Térmica: Relacionada con los fenómenos caloríficos.
 Energía Nuclear: Relacionada con los cambios en los núcleos de los
átomos.
34

En un sistema aislado siempre se conserva: es decir, la energía que
existe en el universo es siempre la misma.
Esto constituye lo que se denomina Principio de Conservación de la
Energía. Los cambios que sufren los sistemas materiales llevan asociados,
precisamente, transformaciones de una forma de energía en otra.
Pero en todas estas transformaciones la energía se conserva, es decir, ni se
crea ni se destruye en el proceso de transformación.

Su carácter degradable; no se conserva su calidad: La experiencia
demuestra que, en la medida en que la energía va siendo utilizada para
promover cambios en la materia, va perdiendo capacidad para ser
empleada nuevamente. El principio de conservación de la energía hace
referencia a la cantidad, pero no a la calidad de la energía, la cual está
relacionada con la posibilidad de ser utilizada. Así, una cantidad de energía
concentrada en un cuerpo es de mayor calidad que otra cantidad de
energía igual pero que está dispersa.
La energía térmica está asociada con el movimiento de agitación de
las moléculas, es decir es una energía muy dispersa, y debido a ello su
calidad es inferior a la de otras (es imposible transformarla por completo en
trabajo).
Todas las transformaciones energéticas asociadas a los cambios en
los cuerpos terminan, antes o después, en energía térmica. Este proceso
de pérdida progresiva de calidad se conoce como degradación de la
energía.
35
2.4.
LA ENERGÍA MECÁNICA
De todas las transformaciones que sufre la materia, las que interesan a la
mecánica son las asociadas a la posición y/o a la velocidad. Ambas magnitudes
definen, en el marco de la dinámica de Newton, el estado mecánico de un cuerpo,
de modo que este puede variar porque cambie su posición, porque cambie su
velocidad o porque cambien ambos. La forma de energía asociada a los cambios
del estado mecánico de un cuerpo o de una partícula material recibe el nombre de
energía mecánica. Esta se divide en:
Energía Potencial: La forma de energía asociada a los cambios de
posición o de configuración recibe el nombre de energía potencial.
El estado mecánico de una piedra que subimos hasta una determinada
altura no es el mismo que cuando estaba en el suelo, ha cambiado su posición.
Cuando estiramos un muelle, las distancias entre las espiras aumentan, ha
cambiado su configuración. Si se les deja en libertad tanto la piedra como el
muelle pueden mover a otros cuerpos, es decir, han adquirido en el proceso
(subir, estirarse) cierta cantidad de energía. La energía potencial de un cuerpo a
cierta altura es
Ep = m.g.h.
36
Energía Cinética: La forma de energía asociada a los cambios de
velocidad recibe el nombre de Energía Cinética. Un cuerpo en movimiento es
capaz de producir movimiento, es decir, de cambiar la velocidad de otros. La
Energía Cinética, es por tanto, la energía mecánica que posee un cuerpo en virtud
de su movimiento o de su velocidad.
La energía potencial es la que adquiere un sistema cuando ocupa diferentes
posiciones respecto a su posición de equilibrio y la energía cinética es la
energía que adquiere un cuerpo al moverse, por el hecho de llevar cierta
velocidad. La energía mecánica de un cuerpo es la suma de su energía
cinética con potencial
Las nociones de trabajo y energía guardan entre sí una gran relación, hasta
el punto que, con frecuencia, se define la energía como la capacidad para
producir trabajo. No obstante, como ya se ha visto, el concepto de energía es más
general que el de trabajo.
El trabajo es una medida de la energía mecánica transferida de un cuerpo a
otro por la acción de una fuerza que produce un desplazamiento.
Si realizamos trabajo sobre un cuerpo variamos su energía y esa variación
de energía es igual al trabajo realizado:
Esta relación hace que trabajo y energía se
midan en las mismas unidades; Julio en el S.I.
Vamos a razonar cómo será el signo del trabajo realizado por un agente exterior
sobre el sistema:
 Si sobre un cuerpo se ejerce una fuerza, de forma que aumenta la energía
de éste, se dice que es una fuerza motora y el trabajo mueve al cuerpo
luego es un trabajo motor. Como:
entonces
es
decir, el trabajo es positivo.
 Si la fuerza aplicada sobre el cuerpo hace que éste disminuya su energía,
se dice que la fuerza es resistente y el trabajo es
37
resistente. ¿Cómo se puede explicar la expresión
? es
decir, el trabajo es negativo.
Si realizamos trabajo sobre un objeto cambiamos su velocidad y por tanto su
energía cinética, el aumento o disminución de energía cinética es exactamente
igual al trabajo realizado.
TEORÍA DE LAS FUERZA VIVAS: El trabajo realizado por una fuerza para
trasladar una partícula a lo largo de una trayectoria entre dos puntos es igual
a la variación de la energía cinética de la partícula entre esos dos puntos
2.5.
FUERZAS CONSERVATIVAS:
Fuerza que conserva la energía mecánica total. Cuando sobre un cuerpo actúa
fuerzas conservativas a la energía mecánica total, suma de energía cinética y
energía total, se mantiene constante durante el movimiento.
 No es posible hablar de energía potencial si la fuerza que actúa no es
conservativa.
 A toda fuerza conservativa se le puede asignar una función escalar
denominada
energía
potencial
de
modo
que:
.
 Si se realiza un trabajo contra una fuerza conservativa, dicha fuerza
devuelve íntegramente el trabajo realizado cuando se le deja actuar
libremente.
 Son fuerzas que tienden a llevar al cuerpo hacia una posición de
equilibrio
Puede demostrarse que, en general, cualquier fuerza constante en módulo
y dirección es conservativa. Nosotros elegiremos, por su interés, el caso de la
fuerza peso, que en las proximidades de la superficie terrestre puede
considerarse constante. La prueba consistirá en este y en otros casos, en calcular
el trabajo y comprobar que no depende del camino.
38
SOLO SE PUEDE DEFINIR ENERGÍA POTENCIAL EN UN PUNTO PARA EL
TRABAJO QUE REALIZA UNA FUERZA CONSERVATIVA.
Si realizamos un trabajo en contra de una fuerza conservativa para
desplazar un cuerpo de su posición de equilibrio, este trabajo no se pierde sino
que se acumula en el cuerpo (energía potencial) de forma que el cuerpo, debido a
la posición que ocupa, posee una cierta energía que se transforma totalmente en
el trabajo empleado para situarla en esa posición si se deja el cuerpo en libertad.
Cuando la fuerza que actúa sobre una partícula es conservativa, se pueden
combinar las ecuaciones:
y
Lo que nos da igualando:
o sea:
Luego la energía mecánica se
conserva, es la misma al principio que al final del movimiento.
Cuando las fuerzas son conservativas la energía mecánica EM de la
partícula permanece constante.
Un aumento de la energía cinética
de la partícula llevará consigo una
disminución equivalente en su energía potencial
o viceversa, para que la suma
de ambos términos permanezca constante. En otras palabras la energía mecánica
de la partícula se conserva.
Ejemplo: Dejo caer un balón desde una altura de 200 m. La masa del balón
es de 3 Kg. Completa este cuadro:
39
h(m)
(J)
(J)
E(J)
V(m/s)
200
150
100
50
0
RESUMEN
La energía es una propiedad de los cuerpos o sistemas que se relaciona
con su capacidad para producir cambios o transformaciones en otros cuerpos o
sistemas, o en ellos mismos.
La energía es una magnitud escalar y su unidad en el S.I. es el julio (J).
Formas de energía. La capacidad para producir cambios puede tener
diferentes orígenes o estar relacionada con distintas características o situaciones
del sistema.
Energía cinética. Es la que tienen los sistemas por encontrarse en
movimiento respecto de otros.
Energía potencial. Los sistemas que tienen energía, debido a que dentro
de ellos existen fuerzas tales que posiciones distintas de las partes del sistema
implican diferente capacidad para realizar cambios, se dice que tienen energía
potencial. Según el tipo de fuerzas que existan entre las partes del sistema
(fuerzas interiores) hablaremos de energía potencial gravitatoria, elástica o
eléctrica.
40
A las fuerzas que son la causa de la energía potencial se las llama fuerzas
conservativas, porque gracias a ellas se puede "almacenar o conservar" la
energía. No todas las fuerzas son conservativas: la fuerza de rozamiento o la que
existe entre las partes de un muelle cuando ha perdido su elasticidad son fuerzas
no conservativas.
Energía interna. Si pensamos que todos los cuerpos están formados por
partículas (átomos, moléculas, iones...) que se encuentran en movimiento y
ejercen fuerzas entre ellas, habrá que considerar un tipo de energía de origen
"submicroscópico" al que llamamos energía interna.
La energía interna depende del tipo de sustancia que forma el sistema y de
su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor será su
energía interna. Cuando calentamos un cuerpo aumenta su energía interna.
Cuando lo enfriamos, disminuye su energía interna.
Energía de la radiación. Es la energía de la luz solar o de cualquier otra
radiación.
La unidad que se utiliza para medir la energía se llama julio (J) y todas las
formas de energía se miden, naturalmente, en esa unidad.
La energía puede transferirse o transmitirse de un lugar a otro o de un
sistema a otro. La transmisión de energía de un sistema a otro puede hacerse
mediante dos tipos de procesos.
A la energía intercambiada entre dos sistemas a causa de una diferencia
de temperaturas entre ambos se le llama calor.
41
Cuando el intercambio de energía se realiza debido a la existencia de
fuerzas que desplazan sus puntos de aplicación, a esa energía intercambiada se
le llama trabajo.
Ni el calor ni el trabajo son otras formas de energía como lo pueden ser la
energía cinética o la energía potencial gravitatoria. Los cuerpos o los sistemas
pueden tener energía, pero no tienen calor ni tienen trabajo. Los cuerpos o
sistemas sí pueden intercambiar energía: a la energía intercambiada se le llama
calor o se le llama trabajo según que el intercambio de energía se deba a una
diferencia de temperatura o a la existencia de fuerzas.
El trabajo que realiza una fuerza constante
que se desplaza una distancia
que actúa sobre un cuerpo
en línea recta es igual al producto escalar de la
fuerza por el desplazamiento:
Como el trabajo nos mide la energía transferida a un sistema: un valor
positivo indicará que la energía del sistema aumenta, negativo, que disminuye.
Cuando
actúan
fuerzas
sobre
una
partícula
mientras
sufre
un
desplazamiento, el trabajo realizado por todas las fuerzas que actúan es igual a la
variación de su energía cinética.
Una fuerza es conservativa si el trabajo que realiza sobre un cuerpo que se
mueve entre dos puntos es independiente del camino seguido por el cuerpo.
La energía potencial está asociada a fuerzas conservativas. El trabajo
realizado por una fuerza conservativa se puede calcular restando a la energía
42
potencial inicial del sistema la energía potencial final (el cambio de energía
potencial, cambiado de signo).
La energía no se puede crear ni destruir; se puede transformar de una
forma a otra o transmitirse de una región a otra, pero la cantidad total de energía
nunca cambia.
Si consideramos que la única forma de transferir energía a un sistema es
mediante trabajo, la ley de conservación de la energía se expresaría:
Conservación de la energía mecánica. En un sistema en el cual sólo actúan
fuerzas conservativas internas la energía total del sistema no se modifica.
Si se define la energía mecánica como la suma de la energía cinética y la
potencial: Em=Ec+Ep. En un sistema en el cual sólo actúan fuerzas conservativas
internas la energía mecánica se conserva:
Las fuerzas de rozamiento son fuerzas no conservativas. Las fuerzas de
rozamiento cinético que se ejercen cuando dos superficies en contacto se
deslizan disminuyen la energía mecánica total de un sistema e incrementan su
energía interna (aumenta su temperatura).
43
AUTOEVALUACIÓN
Aplica los conceptos, principios y ecuaciones de trabajo, potencia y energía
para resolver estas situaciones:
1. Un hombre lleva en sus hombros un saco que pesa 50Kp, se detiene durante
10 min para hablar con un amigo y queda muy cansado por el peso del saco
que ha permanecido en sus hombros todo el tiempo ¿cuál ha sido el trabajo
realizado?
2. Un hombre arrastra un bloque de piedra con una fuerza de 200N por una
superficie horizontal lisa y sin rozamiento ¿qué trabajo se ha realizado cuando
el bloque ha recorrido 10 m sobre el plano? ¿Cuál es el aumento o disminución
de energía cinética durante el recorrido?
3. Una grúa levanta 500Kg de ladrillos a una altura de 20 m y después desplaza
la carga horizontalmente 5 m ¿cuánto vale el trabajo total realizado?
4. Un proyectil de 15 Kg lleva una velocidad de 200m/s y choca con una pared
penetrando en ella 20 cm. Calcula el trabajo realizado por la bala y la fuerza de
resistencia que ejerce la pared.
5. Una vagoneta de 200 Kg se encuentra sobre una vía recta y horizontal sin
rozamiento. Calcula el trabajo que realiza y la potencia en los siguientes casos:
a. Empujas la vagoneta con una fuerza de 100N durante 5 s sin conseguir
que se mueva.
b. Empujas con una fuerza de 200N en la dirección de la vía recorriendo 10 m
en 10 s.
c. Tiras de la vagoneta con una fuerza de 400N que forma un ángulo de 60º
con la vía y la vagoneta recorre 20m en 6,3 s.
7. Una mujer levanta 400g de leña para cargárselos a la espalda a una altura de
1,7 m y luego se desplaza con su carga a la espalda 7m; si tarda 5 min en
44
levantar la leña y otros 5 min en transportarla calcula el trabajo que realiza y su
potencia.
8. Se saca un clavo de 10 cm de longitud totalmente introducido en una tabla
aplicando una fuerza constante cuya dirección es la del clavo. Dicho clavo fue
introducido mediante 10 golpes de un martillo de 1 Kg de masa, siendo su
velocidad en el instante del golpe de 1 m/s. Despreciando las pérdidas de
energía así como la masa del clavo, hallar la intensidad de la fuerza necesaria
para desclavarlo.
9. ¿Qué trabajo hay que realizar para frenar una vagoneta de 700Kg de manera
que su velocidad se reduzca de 36Km/h a 7,2 Km/h?
10. Un camión de 30 T está parado al iniciarse una cuesta. Arranca y cuando se ha
elevado a una altura de 50 m sobre el punto de partida alcanza una velocidad
de 70Km/h tras permanecer 3 min en movimiento. Calcula: La energía
mecánica adquirida por el camión y la potencia mecánica del motor necesaria
para suministrar esa energía.
11. Para elevar un cuerpo con una velocidad constante de 1,5 m/s se necesita un
motor de 2 CV de potencia ¿cuál es el peso del cuerpo?
12. El consumo diario de agua de una ciudad es de 8.103 m3 siendo necesario
elevarla a unos depósitos situados a 60 m por encima del río donde tiene lugar
la captación. Sin tener en cuenta otras consideraciones, calcula el trabajo diario
que hay que realizar y la potencia total de las motobombas que elevan el agua.
13. Un motor eléctrico se utiliza para elevar un peso de 250 Kg desde el suelo
hasta una altura de 25 m y tarda en realizar la operación 5 min, el motor
consume 500 w ¿cuánta energía se disminuye en el proceso?
14. Un motor de 16CV (75KPM/s=1CV) eleva un montacargas de 500Kg a 50 m en
25 s. Calcular el trabajo realizado, la potencia útil desarrollada y el rendimiento.
45
15. Un montacargas eleva 200Kg al piso 20 de un rascacielos, si cada piso tiene 3
m de altura ¿cuál es la energía potencial que adquiere? Si cae desde esa
altura ¿con qué energía cinética llega al suelo y cuál será entonces su
velocidad?
16. Una paloma vuela horizontalmente a una altura de 500 m con una velocidad de
62 Km/h, si desciende a 400 m y vuelve a volar horizontalmente conservando
totalmente su energía mecánica ¿con qué velocidad vuela?
17. Una grúa arrastra un bloque de hormigón de 150 Kg mediante una fuerza de
300 N que forma un ángulo de 45º con la horizontal. Calcular el trabajo
realizado por la grúa a lo largo de un recorrido de 50 m y la potencia que tiene
si el recorrido se ha realizado en medio minuto.
18. Una bola de plomo de 10Kg se deja caer desde una altura de 8 m sobre un
suelo de arena mojada. La bola se hunde en el suelo 30 cm ¿cuál es la
resistencia que ofrece la arena a la penetración?
19. Un hombre de 70 Kg se lanza sobre el extremo de un tablón apoyado en un
punto, desde una altura de 3 m, en el otro extremo del tablón se encuentra un
chico de 35 Kg, suponiendo que las 2/3 partes de la energía cinética del
hombre se transmiten al tablón y al chico, calcula la altura a que ascenderá.
20. En lo alto de un plano inclinado 30º sin rozamiento se encuentra un cuerpo de
15 Kg, si se deja caer por el plano, determina la velocidad que tendrá cuando
haya recorrido 5 m por el plano y cuando llegue al final del plano que mide
15m. .
21. Un coche de 100Kg está parado al iniciarse una cuesta, arranca y alcanza una
velocidad de 54Km/h cuando se encuentra a una altura de 5m respecto al
punto de partida. Calcula la energía mecánica adquirida.
22. Un cuerpo de 8 Kg inicia el deslizamiento por un plano inclinado desde un
punto situado a 5 m de altura sobre el suelo. Su energía cinética cuando llega
al suelo es de 320J ¿se ha conservado su energía mecánica?¿cuánto vale el
trabajo de rozamiento?
46
UNIDAD 3
3
Calor y Temperatura3
PRESENTACIÓN
Se presentan en esta unidad los conceptos, características y principios de
la termodinámica, el calor y energía térmica, la cual actúa interna y
externamente en todos los cuerpos del universo. Se hace distinción entre los
conceptos de calor, temperatura y energía térmica, términos que suelen usarse
indistintamente en muchos contextos de la vida cotidiana y en ocasiones en
espacios académicos, pero si tienen diferencias conceptuales.
Se acompañan estos contenidos con direcciones electrónicas que se
encuentran disponibles videos y situaciones problemas que permiten una mejor
comprensión de los fenómenos relacionados con el calor.
3
TIPLER P, Física. Tomo I - II. Reverté. 1990.
47
COMPETENCIAS A DESARROLLAR
Al finalizar el estudio de esta unidad, el estudiante:
 Caracteriza los conceptos de calor y temperatura
 Diferencia el calor de otras formas de energía
 Aplica los principios de la termodinámica en situaciones concretas y
prácticas
 Resuelve problemas relacionados con el calor y las leyes de la
termodinámica.
 Desarrolla actividades prácticas relacionadas con la energía calórica.
48
DINÁMICA PARA CONTRUIR EL CONOCIMIENTO
ACTIVIDAD PREVIA: (Trabajo independiente)
1.
Lea detenida y comprensivamente la Unidad Tres.
2.
Responda en forma escrita la Evaluación Inicial, “Atrévete a Opinar”
3.
Haga una síntesis sobre la temática tratada en la unidad, a través de un
esquema o mapa conceptual que le permita su mejor comprensión
4.
Estudie información relacionada con la temática propuesta, en otras fuentes
como los videos educativos de educatube y youtube.
5.
Desarrolle secuencialmente las actividades y consulte otras que le sirvan de
complemento y profundización de los temas trabajados en el módulo
ACTIVIDAD EN GRUPO (CIPAS)
1. Reunidos en sus grupos de estudio (CIPAS), socializan las inquietudes
generadas de la lectura individual en la Unidad Tres
2. Socialicen las respuestas de la sesión “Atrévete a Opinar”, respondidas
previamente en forma individual.
3. Desarrollen los ejercicios grupales que se encuentran planteados en la unidad
y generar discusión académica en el grupo de estudios según los aspectos en
desacuerdo.
4. Presentar en la sesión con el tutor las inquietudes y aportes relacionados con
el calor y sus leyes.
49
EVALUACIÓN INICIAL – ATRÉVETE A OPINAR
1.
Establece diferencias entre energía térmica, calor y
temperatura
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
¿Cuál es la naturaleza o argumento científico que explica la
2.
energía calórica emitida por un cuerpo?
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
3.
¿Explica los estados en los que se puede encontrar la
materia en la naturaleza? Da ejemplos
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
_________________________________________
________
50
3.1. CALOR Y TEMPERATURA4:
CALOR: Es la energía que se transfiere desde un cuerpo que está a mayor
temperatura hasta otro que está a menor temperatura:
El calor es una energía en tránsito y se mide en julio o en calorías (1J = 0,24 cal)
TEMPERATURA: Es la manifestación externa del estado del movimiento de las
partículas de un cuerpo. Nos informa sobre la energía interna de dicho cuerpo.
A mayor energía interna – mayor movimiento – mayor temperatura
Los cuerpos no tienen calor; tienen más o menos energía interna.
Se mide en Cº (grados Celsius o centigramos) o K (grados kelvin)
Cuando dos cuerpos que están a distinta temperatura se ponen en contacto se
produce una transferencia de calor (Energía térmica) desde uno (que está a
mayor
) hasta otro (que está a menor
) hasta que ambos alcanzan la misma
temperatura. Entonces se dice que han alcanzado el equilibrio térmico.
4
TIPLER P, Física. Tomo I - II. Reverté. 1990.
51
Dos cuerpos en contacto intercambian energía térmica hasta que alcanza el
equilibrio térmico: consiguen la misma temperatura.
3.2. MEDIDA DE LA TEMPERATURA: TERMÓMETROS.- para medir la
temperatura se utilizan unos aparatos llamados termómetros. Toman como
referencia una propiedad que varíe apreciablemente con la temperatura.
3.2.1. ESCALAS DE TEMPERATURA: para medir la temperatura existen varias
escalas, las más utilizadas son:
 CELSIUS (mide en grados centígrados ºC) .Toma como 0ºC la temperatura a
la que se produce el cambio de estado sólido- líquido para el agua a la
presión de 1 atmósfera ( punto de fusión ). Y como 100 ºC la temperatura a la
que se produce el cambio líquido-gas también a 1 atm (punto de ebullición )
 KELVIN o ABSOLUTA (mide en grados Kelvin K). Toma como origen la
mínima temperatura posible en la que teóricamente no habría ningún tipo de
movimiento (cero absoluto). No se ha llegado a alcanzar tan baja temperatura
aunque se han logrado valores muy próximos donde efectivamente el
52
movimiento a nivel de átomos y moléculas es mínimo, correspondiendo a una
energía interna casi cero.
Comparada con la escala Celsius coincide el valor de cada grado porque ambas
son centígradas (van de 100 en 100) pero hay un desfase de 273 º.
Celsius
Kelvin
100Cº
373K
0Cº
273K
-273Cº
0K
Por tanto para pasar una temperatura de una escala a otra: aplicamos la
ecuación:
Ejercicio: Convierte a las demás escalas estos valores de temperatura:
25ºC
400 K
-28ºC
3.3. EFECTOS DEL CALOR.
No todas las sustancias se calientan igual. El calor que cede o absorbe un
cuerpo depende de su masa, las temperaturas iniciales y final y una magnitud
característica de cada sustancia que se llama calor específico y mide la facilidad o
dificultad con que se puede conseguir un cambio de temperatura en dicho cuerpo:
Calor específico: es el calor que es necesario aplicar
para elevar un grado de temperatura de un gramo de
sustancia.
53
El calor específico de cada sustancia viene en tablas y se puede calcular
experimentalmente. Un calor específico grande para un cuerpo significa que es
difícil aumentar su temperatura pero una vez que se consigue difícilmente se
enfría, por ejemplo el calor específico del agua es
que se
considera bastante alto ya que la mayoría son inferiores a 1. Un calor específico
bajo indica que es fácil cambiar la temperatura de dicho material, es el caso por
ejemplo de los metales, para el aluminio
, se calienta fácilmente
pero también se enfría fácilmente.
La ecuación que mide el calor intercambiado entre dos cuerpos es:
Al poner en contacto un cuerpo caliente (a más temperatura) con uno frío (con
menor temperatura) pasa calor del cuerpo caliente al cuerpo frío. El cuerpo
caliente cede calor y el cuerpo frío absorbe calor, de manera que la temperatura
del cuerpo caliente va disminuyendo y la del frío aumentando hasta que se llega
al EQUILIBRIO TÉRMICO cuando ambos cuerpos están a la misma temperatura,
llamada temperatura de equilibrio y deja de haber intercambio de calor. En este
momento el calor cedido por el cuerpo caliente es igual al absorbido por el cuerpo
frío.
Las unidades más frecuentes para expresar la energía térmica son:
JULIO que es la unidad de energía para el sistema internacional
CALORÍA que equivale a 4,18 J.
También se puede hacer la equivalencia 1J=0,24 cal
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RESUMEN
La energía es una propiedad de los cuerpos o sistemas que se relaciona
con su capacidad para producir cambios o transformaciones en otros cuerpos o
sistemas, o en ellos mismos.
La energía es una magnitud escalar y su unidad en el S.I. es el julio (J).
Formas de energía. La capacidad para producir cambios puede tener
diferentes orígenes o estar relacionada con distintas características o situaciones
del sistema.
Energía interna. Si pensamos que todos los cuerpos están formados por
partículas (átomos, moléculas, iones...) que se encuentran en movimiento y
ejercen fuerzas entre ellas, habrá que considerar un tipo de energía de origen
"submicroscópico" al que llamamos energía interna.
La energía interna depende del tipo de sustancia que forma el sistema y de
su temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura de un cuerpo, mayor será su
energía interna. Cuando calentamos un cuerpo aumenta su energía interna.
Cuando lo enfriamos, disminuye su energía interna.
Transferencias de energía. La energía puede transferirse o transmitirse de
un lugar a otro o de un sistema a otro. La transmisión de energía de un sistema a
otro puede hacerse mediante dos tipos de procesos.
A la energía intercambiada entre dos sistemas a causa de una diferencia
de temperaturas entre ambos se le llama calor.
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Cuando el intercambio de energía se realiza debido a la existencia de
fuerzas que desplazan sus puntos de aplicación, a esa energía intercambiada se
le llama trabajo.
Ni el calor ni el trabajo son otras formas de energía como lo pueden ser la
energía cinética o la energía potencial gravitatoria. Los cuerpos o los sistemas
pueden tener energía, pero no tienen calor ni tienen trabajo. Los cuerpos o
sistemas sí pueden intercambiar energía: a la energía intercambiada se le llama
calor o se le llama trabajo según que el intercambio de energía se deba a una
diferencia de temperatura o a la existencia de fuerzas.
APLICACIONES DE LOS PRINCIPIOS DE ENERGÍA TÉRMICA
Calor y energía térmica
1. Una persona de 80 kg que intenta de bajar de peso desea subir una
montaña para quemar el equivalente a una gran rebanada de pastel de
chocolate tasada en 700 calorías (alimenticias). ¿Cuánto debe ascender la
persona?
Solución:
mgh = Q = 700 x 103 cal x 1.480 J/cal = 1036 x 103 J la altura h = Q/mg =
(1036 x 103 J)/(80 kg)(9.81 m/s2) = 1,320 m.
2. El agua en la parte superior de las cataratas del Niágara tiene una
temperatura de 10°C. Si ésta cae una distancia total de 50 m y toda su energía
potencial se emplea para calentar el agua, calcule la temperatura del agua en
el fondo de la catarata.
Solución:
Energía potencial: Ep = mgh
Calor absorbido por el agua para elevar su temperatura: Q = mC∆T
La energía potencial se transforma en calor: Ep = Q
mC∆T = mgh
∆T = gh/C = (9.81 m/s2)(50 m)/4186 J/kg oC) = 0.117 oC
Tf – Ti = 0.117
Tf = Ti + 0.117 = 10.117 oC
56
Capacidad calorífica, calor específico y calor latente
3. ¿Cuántas calorías de calor son necesarias para aumentar la temperatura de
3.0 kg de aluminio de 20°C a 50°C.
Solución:
Q = mCAl∆T = (3000 g)(0.215 cal/g oC)(50 oC – 20 oC) = 19,350 calorías.
4. La temperatura de una barra de plata aumenta 10.0°C cuando absorbe 1.23
kJ de calor. La masa de la barra es de 525 g. Determine el calor específico de
la plata.
Solución:
Q = mCHg∆T Despejando CHg
CHg = Q/m∆T = (1230 J)/(525 g)(10 oC) = 0.234 J/g oC
5. Si 100g de agua a 100°C se vierten dentro de una taza de aluminio de 20 g
que contiene 50 g de agua a 20°C, ¿cuál es temperatura de equilibrio del
sistema?
Solución:
Sean m1 = 100 g, m2 = 50 g, m3 = 20 g, Ca = 1 cal/ g oC, el calor especifico
del agua, Chg = 0.215 cal/ g oC, el calor especifico del aluminio y Tf la
temperatura final del sistema:
Q100g = Q50g + Q20g m1Ca (100 oC - Tf) = m2Ca(Tf – 20 oC) + m3Chg(Tf 0oC)
Despejando Tf, se obtiene oo o1 a 2 a 3 hgf
1 a 2 a 3 hgm C 100 C + m C 20 C + m C 20 CT = m C + m C + m C
Sustituyendo los valores de los parámetros conocidos, se obtiene que
Tf = 78.3 oC
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AUTOEVALUACIÓN
Analiza y responde estos interrogantes, justificando cada respuesta:
1. ¿Qué energía térmica es mayor: la de una piscina con agua a 20 ºC o la de un
vaso de agua a 25 ºC?
a) La de la piscina.
b) La del vaso de agua.
c) Son iguales.
d) Tienen igual calor.
2. Cuando se calienta un líquido aumenta:
a) su temperatura, pero no su energía térmica.
b) su energía térmica, pero no su temperatura.
c) tanto la temperatura como la energía térmica.
d) su energía interna y nunca su volumen.
3. A igualdad de temperatura, al comparar el agua de una piscina y el de un
depósito
a) la piscina almacena más calor que el depósito.
b) la piscina almacena más energía térmica que el depósito.
4. Cuando un cuerpo cede calor
a) absorbe frío en su lugar.
b) su energía térmica disminuye.
5. Si dos cuerpos de la misma naturaleza y masa poseen la misma temperatura
a) los dos almacenan la misma cantidad de calor.
b) los dos almacenan la misma cantidad de energía térmica.
6. Respecto a la energía térmica de un cuerpo podemos decir que
a) el calor es idéntico, ya que se trata de dos conceptos sinónimos.
b) el calor es una variación de esa energía térmica.
En las preguntas 7 a 10 determina ¿cómo se trasmite el calor según el caso?
7. El agua de la piscina se enfría durante la noche
a) Por conducción
b) Por radiación
c) Por convección
8. Mientras funciona el aire acondicionado.
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a) Por conducción
b) Por convección
c) Por radiación
9. Al calentar la comida en el microondas.
a) Por convección
b) Por radiación
c) Por conducción
10. El calor que recibe una sartén de un fogón eléctrico.
a) Por convección
b) Por conducción
c) Por radiación
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
MAIZTEGUI, Alberto P. SABATO, Jorge A. Introducción a la Física 2. Editorial
Kapelusz. Buenos Aires, 1972. Pág 215 a 453
DANIUSHENKOV, V. Historia de la Física. / Vladimir Daniushenkov y Nélido
Corona. – La Habana, 1991 : Editorial Pueblo y Educación. 342 pág.
MOLTÓ, E. Temas historia de la Física. / Eduardo Moltó Gil. – La Habana, 2003 :
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MORÁGUEZ, A. Cojinetes Magnéticos -- p. 16. -- En : Revista Serranía. -- no. 6. -Holguín, mayo, 1997
MESA, Ledesma Francisco L. Apuntes de apoyo a la asignatura
FUNDAMENTOS FÍSICOS DE LA INFORMÁTICA. E.T.S. de Ingeniería
Informática. UNIVER
BIBLIOTECA DE CONSULTA MICROSOFT ® ENCARTA ® 2004. © 1993-2003
Microsoft Corporation. Reservados todos los derechos.
http://www.fisicanet.com.ar/fisica/magnetismo/ap01_campo_magnetico.php
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/af_circuito/af_circuito_4.htm
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_electromag/ke_electromag_3.htm
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BIOGRAFÍA DEL COMPILADOR
DISEÑO Y COMPILACIÓN: JUAN CARLOS GÓMEZ GÓMEZ
ESTUDIOS RERALIZADOS

Especialista en Docencia. Corporación Universitaria del Caribe CECAR –
Sincelejo. 2009.

Especialista en Informática y Telemática. Fundación Universitaria del Área
Andina. 2008

Especialista en la Enseñanza de las Ciencias Naturales. Uniatlántico –
CECAR. 2005.
Experiencia Laboral:

Docente de tiempo completo de la Institución Educativa Los Palmitos. 1991 –
2013.
Catedrático y Tutor de CECAR. 2006 – 2014.

Director de Diplomados de Grado en CECAR. 2009

DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN ABIERTA Y A DISTANCIA Y VIRTUALIDAD
LICENCIATURA EN EDUCACIÓN BÁSICA CON ÉNFASIS EN CIENCIAS NATURALES Y EDUCACIÓN AMBIENTAL
FÍSICA II
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