Guía Del estudiante Modalidad a distancia - Guias
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Guía Del estudiante Modalidad a distancia Modulo FÍSICA GENERAL PARA SALUD OCUPACIONAL III SEMESTRE DATOS DE IDENTIFICACION TUTOR Luis Enrique Alvarado Vargas Teléfono 435 29 52 – CEL. 310 768 90 67 E-mail Wiki: [email protected] http://guias-uniminuto.wikidpaces.com Lugar Madrid Cundinamarca BIENVENIDA Corporación Universitaria Minuto de Dios – Rectoría Cundinamarca Bienvenida EL curso de Física general permite indicar un proceso de formación a profesionales de la salud ocupacional que apropien competencias interpretativas, argumentativas y propositivas y competencias ciudadanas como líderes integrales en sus desempeños el curso pretende fortalecer procesos. Fundamentos del Pensamiento: Que le permiten apropiarse de los conceptos físicos y sus aplicaciones en todas las actividades del ser humano desde la comprensión de conceptos dinámicos de aceleración de la gravedad, peso y por su puesto la gravitación universal de las cuales Kepler dedujo tres leyes empíricas. Hay otros conceptos físicos tratados en la presente guía que tienen una intima relación con la salud ocupacional como la energía potencial, el movimiento armónico simple, el movimiento pendular y todo el estudio relacionado con las oscilaciones de los cuerpos. La física general intenta explicar los fenómenos del universo de una manera simpe sin que esto deje de ser bien profundo pues por ejemplo cuando estudiamos momento vemos que tan riesgoso es un choque entre dos móviles que llevan una cantidad de movimiento y por el principio de conservación del momento este debe ser igual antes y después de la colisión, para los estudiosos de la salud ocupacional se abren muchas puertas de investigación en diseño de aparatos y sistemas que reduzcan al mínimo los riesgos en la salud de las personas y que evite traumas por no poseer aparatos lo suficientemente ergonómicos. Autoformación: A partir del estudio auto programado del dialogo de saberes como resultado del trabajo en equipo para la construcción y socialización del conocimiento de la investigación y acción de las prácticas. Trabajo Cooperativo: El curso propende por el trabajo en equipo con toda la comunidad para el desarrollo de proyectos de investigación. El propósito de formación de este curso es facilitar al estudiante de salud ocupacional es vivenciar por contexto y las demás áreas del programa el desarrollo de las competencias que le permitan utilizar el lenguaje y herramientas necesarias en las acciones propias del trabajo en equipo. El curso esta propuesto acorde a los principios expuestos por la universidad del Tolima, el IDEAD y el programa es fruto de la experiencia de quien escribe y luego de consultar diferentes programas de ciencias de la educación en la que dentro del pensum involucran la física general, los cuáles dan preeminencia a los procesos de auto formación del ser humano en modalidad a distancia, que deben esforzarse a muchas horas de estudio individual y grupal sin la presencia física del tutor. INTRODUCCIÓN En esta guía, se presentan dos temas; la gravedad y las oscilaciones de gran importancia en la Física, permite acercarnos a la comprensión del porque los cuerpos masivos son atraídos por otros y porque unos orbitan alrededor de otros, si comprendemos por ejemplo porque la tierra gira alrededor del sol, podemos comprender movimientos cíclicos o periódicos y de hecho explicarnos el porque de algunos cuerpos oscilantes. Los fenómenos de la naturaleza como la gravitación universal tienen explicaciones simples en las que se estudia la acción de fuerzas a distancia y si hay fuerzas distancia hay energía y hay muchos eventos de los cuales intentaremos explicar de manera cualitativa y cuantitava. UNIDAD DE TRABAJO No.3 ¿Qué estrategias implementaría para comprender la gravitación universal y explicar el movimiento de los planetas y para ampliar el concepto de peso? * Cómo Comprender el mundo del movimiento ondulatorio, presente en todas las ramas de la Física? INDICADORES Objetivos • Reconocer las leyes de Kepler para comprender su impacto en la comprensión de fenómenos como el movimiento de los planetas y la sucesión de días luz y noches • Comprender el Campo gravitatorio como una acción a distancia y sus aplicaciones en el mundo actual. • Identificar las propiedades de un movimiento armónico simple y construcción de péndulos, muelles… • Definir las características de un movimiento armónico amortiguado. TEMAS A DESARROLLAR TEMA 6. Gravedad Leyes de Kepler. Ley de la gravitación. Campo y energía potencial gravitatoria. Campo gravitatorio de distribuciones de masa con simetría esférica. TEMA 7. Oscilaciones. - Movimiento armónico simple (MAS). Propiedades y ecuación general de un MAS. Energía del MAS. Sistemas sencillos de oscilaciones simples (péndulo simple, movimiento circular, muelles,...). - Oscilaciones amortiguadas. Fenómenos de amortiguamiento. Tipos de movimiento oscilatorio amortiguado. Parámetros característicos del movimiento subamortiguado. - Oscilaciones forzadas. Régimen transitorio y permanente. Potencia absorbida. Resonancia. Marco Teórico Tema 5. La gravedad Las leyes de Kepler En los capítulos anteriores se admite la aceleración de la gravedad y el peso sin analizar el hecho de la gravitación. Ahora vamos a considerar este fenómeno. De las innumerables observaciones realizadas en la antigüedad, el Físico danés Johannes Kepler tres leyes empíricas. 1. Los planetas describen órbitas elípticas estando el Sol en uno de sus focos 2. la recta que une un planeta al sol barre áreas iguales en tiempos iguales.La ley de las áreas es equivalente a la constancia del momento angular, es decir, cuando el planeta está más alejado del Sol (afelio) su velocidad es menor que cuando está más cercano al Sol (perihelio). En el afelio y en el perihelio, el momento angular L es el producto de la masa del planeta, por su velocidad y por su distancia al centro del Sol. 3. los cuadrados de los periodos de los planetas son proporcionales a los cubos de las distancias medias al sol. De la primera y tercera leyes, Newton dedujo su famosa ley de la gravitación universal y recíprocamente mas adelante deduciremos la segunda ley de Kepler. Ley De La Gravitación Universal Vamos a afirmar que las elipses que describen los planetas alrededor del sol son casi circulares. Admitiendo que son círculos, la fuerza que ejerce el sol sobre el planeta de masa m será: F = mv2/r =m/r(2 r/T)2 = m4 2r/T2 Siendo r la distancia sol – planeta y T el período del planeta, de la tercera ley de Kepler se deduce: T2 = kr2 Siendo k una constante, y por lo tanto: F = 4 2m/kr3 De otro lado por la tercera ley de Newton, acción y reacción, el planeta ejerce sobre el sol una fuerza que debe ser proporcional a la masa del sol M. Por tanto, como estas dos fuerzas deben ser iguales en magnitudes, cada una de ellas será proporcional simultáneamente a la masa del sol y a la masa del planeta. Finalmente podemos escribir: F = G (mM/r2) La constante G es la constante de gravitación universal, el valor medio de G es: G = 6.67X 10-11nt.m2/Kg2 Esta ley, deducida de fenómenos astronómicos fue generalizada por Newton a todos los fenómenos terrestres. Se enuncia así: “Dos partículas ejercen una sobre la otra, una fuerza de atracción dirigida sobre la línea que las una y proporcional a sus masas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de las dos partículas” visita la pagina de internet referenciada a continuación para profundizar en este concepto . http://www.astrocosmo.cl/b_p-tiempo/b_p-tiempo-04.04.03.01.htm Campo gravitatorio. Energía potencial gravitatoria La idea de fuerza gravitatoria como resultado de la acción de un campo que perturba las condiciones del espacio y produce efectos sobre los cuerpos inmersos en él permitió profundizar enormemente en el estudio de las propiedades de estos fenómenos. La noción de campo gravitatorio se asocia íntimamente a la de energía potencial, entendida como la capacidad del campo para realizar un trabajo. Campo gravitatorio La interacción atractiva que experimentan entre sí los cuerpos materiales dotados de masa responde, desde un punto de vista teórico, a la existencia de un campo gravitatorio asociado a toda masa no nula. Las fuerzas asociadas a este campo fueron descritas por la ley de gravitación universal de Newton (ver t21), y de su estudio se dedujo que eran directamente proporcionales a las masas afectadas por el fenómeno gravitatorio e inversamente proporcional a la distancia que separa a dichas masas. Líneas de campo gravitatorio Los campos vectoriales se representan mediante series de líneas que señalan la trayectoria que seguirían las partículas bajo la influencia del campo. En el campo gravitatorio creado por una masa puntual, estas líneas de fuerza siguen direcciones que apuntan hacia la masa creadora del campo. Líneas de fuerza del campo gravitatorio creado por una masa puntual. Campo gravitatorio terrestre Aunque la Tierra tiene forma de geoide ligeramente achatado por los polos, se puede considerar que es un planeta esférico y que la distribución de su masa es uniforme. Entonces, se considera también que engendra un campo gravitatorio regular cuyas líneas de fuerza apuntan hacia el centro de la Tierra. Por convenio, se dice que este campo es negativo, por lo que la expresión de su intensidad sería la siguiente: Siendo M+ = 5,98 · 1024 kg. En la superficie terrestre, la distancia considerada es igual al radio de la Tierra R+ =6.370 km, con lo que la fuerza que ejerce la Tierra sobre una masa m situada en esta posición se calcula según la conocida expresión: El vector g se conoce como intensidad del campo gravitatorio terrestre local o, simplemente, gravedad. Energía potencial gravitatoria A todo campo vectorial se le asocia una energía potencial o capacidad que tiene dicho campo para realizar trabajo según la posición de las partículas dentro del mismo. En el campo gravitatorio terrestre local, la energía potencial gravitatoria asociada tiene la forma: con z la altura de la partícula (masa puntual) considerada sometida a la acción del campo según el eje de referencia escogido. Por la equivalencia entre trabajo y energía, la energía potencial gravitatoria del campo terrestre local puede determinarse como el producto escalar de la fuerza ejercida por la distancia recorrida, con lo que se obtiene que: Superficies equipotenciales Ligado a la idea de energía potencial gravitatoria está el concepto de potencial gravitatorio, que se entiende como una función escalar igual a la energía potencial que tendría una masa de valor uno en el punto del campo que se considere. Por tanto: Donde Vg es el potencial gravitatorio, m la masa que crea el campo, r la distancia entre esta masa y la unitaria y G la constante de gravitación universal. El conjunto de todos los puntos del espacio que poseen un mismo potencial gravitatorio se denomina superficie equipotencial. Las superficies equipotenciales aportan información sobre el valor del módulo del campo, que es más intenso en las zonas donde la separación entre cada dos de estas superficies es menor. Campo Gravitatorio De Distribuciones De Masa Con Simetría Esférica. Consulte en las siguientes direcciones y has un resumen de los aspectos sobresalientes http://www.iesclaracampoamor.edu.es/Documentos/Fisica_quimica/Teorema_de_G auss.pdf Tema 6 Oscilaciones MOVIMIENTO ARMÓNICO SIMPLE (MAS) Vamos a estudiar un movimiento llamado MAS, Movimiento Armónico Simple. Para ello, empezaremos viendo una serie de definiciones sencillas: Movimiento periódico: un movimiento se dice periódico cuando a intervalos iguales de tiempo, todas las variables del movimiento (velocidad, aceleración, etc.), toman el mismo valor. Movimiento oscilatorio: Son los movimientos periódicos en los que la distancia del móvil al centro, pasa alternativamente por un valor máximo y un mínimo. Movimiento vibratorio: Es un movimiento oscilatorio que tiene su origen en el punto medio, de forma que las separaciones a ambos lados, llamadas amplitudes, son iguales. Movimiento vibratorio armónico simple: es un movimiento vibratorio con aceleración variable, producido por una fuerza que se origina cuando el cuerpo se separa de su posición de equilibrio. Observando el movimiento del resorte, vemos que se desplaza entre dos puntos, desde la máxima compresión hasta la máxima elongación, pasando por un punto medio, de equilibrio. La distancia desde el punto medio a cualquiera de los extremos la llamamos AMPLITUD y la representamos por A. La posición que ocupa la bola roja en cada momento con respecto al punto central la conocemos como ELONGACIÓN, x. El tiempo en realizar una oscilación completa es el PERÍODO, representado por T y medido en segundos. La FRECUENCIA es el número de oscilaciones por segundo que realiza y la representamos por n. Para definir el movimiento tenemos que calcular su ecuación, donde veremos la relación entre las magnitudes que intervienen e influyen sobre él. Como cualquier movimiento, debemos encontrar una ecuación que nos relacione la posición (x) con el tiempo, es decir, encontrar la expresión de la posición en función del tiempo. Para ello vamos a partir de dos leyes muy conocidas en Física: - Ley de Hooke: que determina que la fuerza recuperadora del resorte es proporcional a la posición y de signo contrario. La expresión de la ley es: F = - Kx - La 2ª ley de Newton: que nos viene a decir que toda aceleración tiene su origen en una fuerza. esto lo expresamos con la conocida: F = ma Es obvio que la fuerza recuperadora del resorte es la que origina la aceleración del movimiento, lo que supone que ambas fuerzas, expresadas arriba, son iguales. Luego: donde hemos expresado la aceleración como la segunda derivada de la posición con respecto al tiempo. A partir de esta ecuación encontramos dos soluciones para el valor de la posición en función del tiempo: x = A sen(wt + q) y x = A cos(wt + q) siendo x la elongación, A la amplitud, w la pulsación o frecuencia angular y q el desfase, que nos indica la discrepancia entre el origen de espacios (pinto donde empezamos a medir el espacio) y el origen de tiempos. El valor de la frecuencia angular está relacionado con la constante recuperadora por la ecuación que viene a continuación: VELOCIDAD Y ACELERACIÓN EN EL MAS A partir de la ecuación de la posición o elongación (partimos de la 1ª ecuación de la de arriba) y, derivando con respecto al tiempo, obtenemos la ecuación de la velocidad en el MAS: v = A w cos(wt + q) Modificando ligeramente esta ecuación encontramos una expresión de la velocidad en función de x, la elongación: Derivando con respecto al tiempo la velocidad, obtenemos la ecuación de la aceleración en el MAS: a = - A w2 sen(wt + q) de la que podemos obtener también una ecuación que la relaciona con la posición: a = - A w2 Con las expresiones de la velocidad y de la aceleración podemos calcular fácilmente los valores máximos de ambas y los puntos de la trayectoria donde se dan estos valores. Quedan resumidos en la siguiente tabla: Magnitud Ecuación Velocidad Aceleración a = - A w2 Condición máximo Se da en X=0 El punto de equilibrio X = A (X es máximo) En los puntos extremos Vamos a presentarte dos applets para corroborar estas últimas afirmaciones y que puedas observar visualmente, los puntos donde se alcanzan los valores máximos de ambas magnitudes. EJEMPLO 1 Es un applet sencillo donde vas a ver la variación de la posición o elongación. Verás, en la parte izquierda, que es la que nos interesa, el movimiento del muelle y la representación gráfica de la elongación, hasta alcanzar la amplitud o máximo valor. Puedes cambiar el valor de la elongación en la casilla correspondiente. EJEMPLO 2 En este ejemplo verás gráficamente la variación de la velocidad y de la aceleración, por medio de un vector que varía en módulo según la posición. la elongación será el vector azul, ña velocidad el rojo y la aceleración el verde. Para empezar el movimiento haz click en la bola, arrastra hacia abajo y suelta Ahora vas a realizar la siguiente aplicación práctica para contrastar los conocimientos aprendidos. Tras pulsar el botón encontrarás un applet con el que debes realizar la experiencia. El manejo del applet es muy sencillo, pues solamente tienes que pulsar en los botones para realizar las operaciones deseadas. Para elegir que magnitud quieres observar, simplemente haz click en la casilla adecuada. Realización práctica 1.- En primer lugar repite la experiencia de observación de la variación de las distintas magnitudes del MAS, seleccionando la casilla correspondiente: elongación, velocidad, aceleración, fuerza (la fuerza recuperadora, observa que es contraria a la elongación) y la energía (variaciones de energía que tienen lugar). Observa en qué puntos se alcanzan los valores máximos y mínimos de cada magnitud. 2.- Vamos a trabajar con la velocidad y la aceleración. Empieza seleccionando la casilla de velocidad, dejando los valores de constante, masa y amplitud que salen por defecto. Lanza el applet pulsando en comenzar y anota el valor de la velocidad máxima que verás abajo en el centro. Apunta el resultado en la tabla que encontrarás más abajo. 3.- Repite el proceso, tras pulsar Inicio y cambiar la masa a 6 kg. Deja invariables los valores de constante y de amplitud. Cubre todos los datos de la tabla, para las masas que se indican. Velocidad Masa (kg) máxima (m/s) 5 6 7 10 4.- Selecciona la aceleración, coloca un valor de masa de 5 kg y no toques la constante y la amplitud (debe ser 0.05 m). Lanza el applet y anota la aceleración máxima. 5.- Repetimos el proceso utilizado para la velocidad con la aceleración, solo que dejando constante la masa y variando la amplitud. Cubre la tabla con los datos solicitados. Amplitud (m) Aceleración máxima 0.05 0.07 0.09 0.1 6.- Observando el applet y realizando en él las operaciones necesarias, responde, seleccionando la casilla adecuada, a las preguntas que vienen a continuación: preguntas 1.- Al aumentar la masa: aumenta la fuerza recuperadora aumenta la aceleración aumenta el período 2.- La Fuerza recuperadora: es mayor al crecer la constante tiene sentido contrario a la aceleración alcanza su valor máximo en el centro 3.- Con respecto a la energía del sistema: es siempre constante la cinética es máxima en los extremos la potencial es máxima en el centro 4.- La aceleración: es máxima en el centro es nula en el centro tiene la misma dirección y sentido que la velocidad 5.- La velocidad máxima: no depende de la constante recuperadora se alcanza en el centro de equilibrio no depende de la amplitud Este artículo es tomado de: http://usuarios.multimania.es/pefeco/mas/mas1.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/libres/libres.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/mas/mas.htm http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Practicas/15%20MAS%20amortigu ado.pdf EVALUACION Dentro de la guía se encontraran ejercicios y problemas que el estudiante resolverá y presentara en un portafolio para ser revisados por el tutor, se hará una socialización y corrección de algunos problemas propuestos al azar, se tendrá en cuenta una autoevaluación que cada estudiante hará, una cooevaluación que le harán los estudiantes del grupo y una hetero-evaluación que será realizada por el tutor teniendo en cuenta los aspectos cognitivos, actitudinales y comporta-mentales del estudiante, al igual que las competencias interpretativa, argumentativa y proposicional. POLITICAS El estudiante debe consultar y realizar las consultas y lecturas recomendadas, sintetizar los conceptos en un portafolio, resolver los ejercicios y problemas propuestos en la guía, asistir puntualmente a las sesiones presenciales y a los cipas programados en los acuerdos del 13 de febrero, participar activamente de las actividades de socialización y trabajo colaborativo. Rol del Tutor: El propósito fundamental del tutor es el de dar un servicio a los estudiantes, facilitando su proceso de aprendizaje y el logro de sus competencias. La supervisión que hagan los tutores se enfocará tanto a los procesos, como a los productos de aprendizaje que evidencien desarrollo de habilidades que conlleven a alcanzar la competencia, para ello el tutor asume entre otros los compromisos de: Atender directamente a los estudiantes a él asignados utilizando diversos medios: encuentro tutorial, teléfono, celular, fax, e-mail, sistemas de mensajería y/o cualquier otro medio acordado previamente con el estudiante, de manera que pueda ayudarle a aclarar sus dudas a partir del uso de diversas estrategias didácticas. Asistir al lugar de tutoría asignado, en la hora y el día indicados previamente para tal fin: Respetar el calendario académico y cada una de las actividades propuestas en el Guiar, facilitar, asesorar y orientar al estudiante en su proceso de aprendizaje Suscitar la reflexión e indagar a los estudiantes sobre su proceso de aprendizaje Evaluar las actividades teniendo en cuenta los criterios de evaluación socializados al estudiante al plantearse la actividad. Retroalimentar las actividades y sus evidencias de competencia en las fechas acordadas con el tutor. Las dudas académicas serán atendidas por teléfono, fax, e-mail y medios como foros en aulas virtuales. Rol del estudiante Asumamos que los estudiantes son participantes, honestos y comprometidos que. Como tales, son los principales responsables de iniciar, dirigir y sostener sus propios procesos de aprendizaje. Cada estudiante se compromete a propiciar las condiciones que estén a su alcance para maximizar las oportunidades de aprendizaje de acuerdo a su contexto y posibilidades. De igual forma se asume que nuestros estudiantes no incurrirán en actos deshonestos y de plagio intelectual de ideas en las diversas formas de interacción, actividades terminales e intermedias. Se espera que los estudiantes participen activamente en cada una de las actividades descritas en la guía de estudio, para ello es necesario tener en cuenta que: El estudiante es el protagonista del proceso de aprendizaje, que lo lleva a ser mas activo y propositivo, por consiguiente a desarrollar el auto – estudio Debe estar preparado para participar activamente de las actividades de aprendizaje, habiendo leído los contenidos de su texto de estudio y materiales adicionales relacionados en la guía de estudio. Debe realizar las actividades planteadas en la guía de estudio, entregando las evidencias de manera acorde a los planteado en los criterios de evaluación, dentro de los tiempos establecidos en le calendario y bajo las instrucciones descritas en cada actividad. En las evidencias escritas, deberá saber citar las fuentes, es decir usar debidamente la bibliografía a fin de evitar el plagio Bibliografía Título: FÍSICA PARA LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA. VOL. 2 (1ª) Autor/es: Tipler, P. A.; Editorial: REVERTÉ McGraw-Hill, México, 2005. (Cualquier otra edición es perfectamente válida) Atención: las cuestiones, ejercicios y problemas planteados al final de cada capítulo no tienen solución dada. W.E. GETTYS , F.J. KELLER y M.J. SKOVE, Física clásica y moderna (Tomo I y II). Editorial McGraw-Hill, México. http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/libres/libres.htm http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/mas/mas.htm http://www.uclm.es/profesorado/ajbarbero/Practicas/15%20MAS%20amortigu ado.pdf
