PREGUNTAS GENERADORAS – GUÍA N° 2

¿PORQUE ES IMPORTANTE CUANTIFICAR LOS EVENTOS DE LA NATURALEZA?

En el presente siglo se han realizado rápidos avances científicos y tecnológicos, por ejemplo en los medios de comunicación con el uso de computadoras, televisión, antena parabólica, teléfono celular, correo electrónico, etc. y en el transporte con los vuelos espaciales. Esto ha sido posible gracias a los conocimientos que se han adquiridos de todas las ciencias. La naturaleza está formada por materia y energía en constante cambio. Un cambio en la naturaleza se conoce como fenómeno natural el cual puede ser físico o químico. Un fenómeno físico se caracteriza porque no cambia la composición química de la materia. Por ejemplo el movimiento de los cuerpos, los cambios de estado de la materia, las tormentas con rayos y truenos, la formación de imágenes, etc. . Un fenómeno químico se caracteriza porque se producen cambios en la composición de la materia. Por ejemplo la combustión de los materiales, la fotosíntesis de las plantas, la digestión de los alimentos, etc. El ser humano vive de acuerdo al medio social y natural en el que ha nacido, desarrolla su capacidad creativa tomando del mundo circundante los elementos para ajustarlo a sus necesidades y aspiraciones futuras. Podemos decir que la capacidad de prevenir el futuro es lo que lo distingue del resto de los animales. Esta capacidad es la que lo lleva a crear defensas y protegerse de posibles agresiones que el exterior pueda ejercer sobre su comunidad. En esa puesta en marcha de su previsibilidad ejecuta acciones que no siempre están de acuerdo con la naturaleza, si bien puede imitar las formas de la misma, los efectos que devienen luego se contraponen con la esencia misma humana. Así nos encontramos en un mundo tecnificado a tal punto que olvidamos muchas veces la esencia y nos quedamos tan solo mirando los efectos. La naturaleza nos devuelve el espejo para observarnos, para volver a reconocer nuestros rasgos sin que ello haga mella en la trama sofisticada del pensamiento. Caminar una tarde de sol entre los árboles pisando caminos de tierra nos devuelve la sensación de pertenecer a un universo maravilloso y entero, es como si nada estuviera completo si no estuviéramos allí para sentirlo, y la naturaleza no estaría completa si no caminásemos con ella. El ritmo de vida nos lleva a vivir en ciudades con porciones de cielo, con pedacitos de aire limpio, con retazos de hojas verdes y nos acostumbramos tanto que parecería que la naturaleza nuestra fuese solo ese fragmento, más no es así. Eso lo saben bien los niños que cuando tienen oportunidad de vivir un día bajo el sol, en la playa o en la montaña, crecen mejor en esos días, son más saludables, son más fuertes y sonríen abiertamente.

¿PARA QUE ESTUDIAR Y ENTENDER LOS MOVIENTOS DE PARTICULAS Y CUERPOS GRANDES?

La cinemática trata del estudio del movimiento de los cuerpos en general y, en particular, el caso simplificado del movimiento de un punto material. Para sistemas de muchas partículas, tales como los fluidos, las leyes de movimiento se estudian en la mecánica de fluidos. El movimiento trazado por una partícula lo mide un observador respecto a un sistema de referencia. Desde el punto de vista matemático, la cinemática expresa cómo varían las coordenadas de posición de la partícula (o partículas) en función del tiempo. La función que describe la trayectoria recorrida por el cuerpo (o partícula) depende de la velocidad (la rapidez con la que cambia de posición un móvil) y de la aceleración (variación de la velocidad respecto del tiempo). El movimiento de una partícula (o cuerpo rígido) se puede describir según los valores de velocidad y aceleración, que son magnitudes vectoriales. Si la aceleración es nula, da lugar a un movimiento rectilíneo uniforme y la velocidad permanece constante a lo largo del tiempo. Si la aceleración es constante con igual dirección que la velocidad, da lugar al movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y la velocidad variará a lo largo del tiempo. Si la aceleración es constante con dirección perpendicular a la velocidad, da lugar al movimiento circular uniforme, donde el módulo de la velocidad es constante, cambiando su dirección con el tiempo. Cuando la aceleración es constante y está en el mismo plano que la velocidad y la trayectoria, tiene lugar el movimiento parabólico, donde la componente de la velocidad en la dirección de la aceleración se comporta como un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, y la componente perpendicular se comporta como un movimiento rectilíneo uniforme, y se genera una trayectoria parabólica al componer ambas. Cuando la aceleración es constante pero no está en el mismo plano que la velocidad y la trayectoria, se observa el efecto de Coriolis. En el movimiento armónico simple se tiene un movimiento periódico de vaivén, como el del péndulo, en el cual un cuerpo oscila a un lado y a otro desde la posición de equilibrio en una dirección determinada y en intervalos iguales de tiempo. La aceleración y la velocidad son funciones, en este caso, sinusoidales del tiempo. Al considerar el movimiento de traslación de un cuerpo extenso, en el caso de ser rígido, conociendo como se mueve una de las partículas, se deduce como se mueven las demás. Así, basta describir el movimiento de una partícula puntual, como por ejemplo el centro de masa del cuerpo, para especificar el movimiento de todo el cuerpo. En la descripción del movimiento de rotación hay que considerar el eje de rotación respecto del cual rota el cuerpo y la distribución de partículas respecto al eje de giro. El estudio del movimiento de rotación de un sólido rígido suele incluirse en la temática de la mecánica del sólido rígido, por ser más complicado. Un movimiento interesante es el de una peonza, que al girar puede tener un movimiento de precesión y de nutación. Cuando un cuerpo posee varios movimientos simultáneamente, como por ejemplo uno de traslación y otro de rotación, se puede estudiar cada uno por separado en el sistema de referencia que sea apropiado para cada uno, y luego, superponer los movimientos. La astromecánica o mecánica celeste tiene por objeto interpretar los movimientos de la astronomía de posición, en el ámbito de la parte de la física conocida como mecánica, generalmente la newtoniana (Ley de la Gravitación Universal de Isaac Newton). Estudia el movimiento de los planetas alrededor del Sol, de sus satélites, el cálculo de las órbitas de cometas y asteroides. El estudio del movimiento de la Luna alrededor de la Tierra fue por su complejidad muy importante para el desarrollo de la ciencia. El movimiento extraño de Urano, causado por las perturbaciones de un planeta hasta entonces desconocido, permitió a Le Verrier y Adams descubrir sobre el papel al planeta Neptuno. El descubrimiento de una pequeña desviación en el avance del perihelio de Mercurio se atribuyó inicialmente a un planeta cercano al Sol hasta que Einstein la explicó con su Teoría de la Relatividad.

¿COMO ENTENDER LAS CAUSAS POR LAS CUALES SE PRODUCE EL MOVIMIENTO?

La cinemática es una rama de la física dedicada al estudio del movimiento de los cuerpos en el espacio, sin atender a las causas que lo producen (lo que llamamos fuerzas). Por tanto la cinemática sólo estudia el movimiento en sí, a diferencia de la dinámica que estudia las interacciones que lo producen. El Análisis Vectorial es la herramienta matemática más adecuada para ellos. En cinemática distinguimos las siguientes partes: Cinemática de la partícula Cinemática del sólido rígido La magnitud vectorial de la Cinematica fundamental es el "desplazamiento" Δs, que experimenta un cuerpo durante un lapso Δt. Como el desplazamiento es un vector, por consiguiente, sigue la ley del paralelogramo, o la ley de suma vectorial. Asi si un cuerpo realiza un desplazamiento "consecutivo" o "al mismo tiempo" dos desplazamientos 'a' y 'b', nos da un deslazamiento igual a la suma vectorial de 'a'+'b' como un solo desplazamiento. Dos movimientos al mismo tiempo entran principalmente, cuando un cuerpo se mueve respecto a un sistema de referencia y ese sistema de referencia se mueve relativamente a otro sistema de referencia. Ejemplo: El movimiento de un viajero en un tren en movimiento, que esta siendo visto por un observador desde el terraplén. O cuando uno viaja en coche y observa las montañas y los arboles a su alrededor.

¿PARA QUÉ Y CÓMO REPRESENTAR EL MOVIMIENTO DE LAS PARTÍCULAS EN PLANO CARTESIANO?

 En el estudio de la mecánica clásica es muy conveniente describir el movimiento de los objetos en términos del espacio y el tiempo, sin tomar en cuenta los agentes que lo producen. A esta parte de la mecánica clásica que describe el movimiento se le llama cinemática y podrás aprender más sobre ella en la unidad 4. La palabra cinemática proviene de "cine" que significa movimiento y "matica" que significa matemática. En el estudio del movimiento de traslación se describe al objeto en movimiento como una partícula sin importar su tamaño. En general, una partícula es una masa parecida a un punto de tamaño infinitesimal. En Física es necesario explicar el comportamiento de los objetos. Para esto se utilizan las gráficas. Las gráficas son representaciones pictóricas de pares ordenados de puntos. En cinemática se refiere a la representación de la relación de tiempo y espacio del movimiento de los objetos. Esta representación se hace en un plano cartesiano. El movimiento de una partícula se conoce por completo si su posición en el espacio se conoce en todo momento. Las gráficas presentan la relación entre los datos de la posición, velocidad y aceleración del objeto. Debes observar muy bien los ejes, las variables y las unidades utilizadas en las gráficas que analizarás. Al leer esta lección trata de contestar los ejemplos y luego verificar tu solución con la que aquí se presenta de forma que puedas auto evaluarte en todo momento y verificar por ti mismo cuanto vas aprendiendo del tema.

¿CÓMO APLICAR LAS LEYES DE LA DINÁMICA A NUESTRA VIDA DIARIA?

 Estudia el movimiento de los objetos y de su respuesta a las fuerzas. Las descripciones del movimiento comienzan con una definición cuidadosa de magnitudes como el desplazamiento, el tiempo, la velocidad, la aceleración, la masa y la fuerza. Isaac Newton demostró que la velocidad de los objetos que caen aumenta continuamente durante su caída. Esta aceleración es la misma para objetos pesados o ligeros, siempre que no se tenga en cuenta la resistencia del aire (rozamiento). Newton mejoró este análisis al definir la fuerza y la masa, y relacionarlas con la aceleración. Para los objetos que se desplazan a velocidades próximas a la velocidad de la luz, las leyes de Newton han sido sustituidas por la teoría de la relatividad de Albert Einstein. Para las partículas atómicas y subatómicas, las leyes de Newton han sido sustituidas por la teoría cuántica. Pero para los fenómenos de la vida diaria, las tres leyes del movimiento de Newton siguen siendo la piedra angular de la dinámica (el estudio de las causas del cambio en el movimiento).

¿PORQUE ES IMPORTANTE IDENTIFICAR LAS FUERZAS DE CONTACTO?

Cuando hablamos de “fuerza” nos referimos físicamente a una acción que se ejerce sobre un cuerpo produciendo un determinado efecto. Esto puede resultar en una modificación de su movimiento, si se encuentra en ese estado, o de su aspecto físico. Incluso, pueden producirse ambos efectos al mismo tiempo. Todo depende de las características del objeto y de la magnitud de la fuerza que se le aplica. El principio de acción y reacción de Newton determina que entre dos cuerpos en contacto existe una fuerza de igual magnitud pero de sentido contrario actuando sobre cada uno. Estas pueden clasificarse en fuerzas de contacto y fuerzas de acción a distancias según entren en contacto o no los cuerpos sobre los que interactúan. Las primeras son aquellas en las que los objetos se encuentran en contacto físico y la fuerza se ejerce sobre su superficie de modo perpendicular. Un ejemplo es la fuerza de fricción. En las de segundo tipo, en cambio, los objetos no están en contacto como, por ejemplo, en la fuerza magnética. Un objeto sometido a dos fuerzas está físicamente en equilibrio cuando en el efecto producido ambas se anulan mutuamente. En estos casos, es llamada fuerza normal a la fuerza ejercida sobre un plano que se contrarresta con la fuerza peso. En otras palabras, aludimos con fuerza normal a la presión que se ejerce sobre un cuerpo en relación a su superficie y peso. Teniendo un objeto X ubicado sobre una mesa, contemplamos sobre el mismo dos tipos de fuerzas en interacción según el principio de Newton. Por un lado, la masa de la Tierra y su fuerza gravitatoria sobre el cuerpo en cuestión. Por el otro, la fuerza de contacto del objeto contra la mesa produciendo una reacción normal en sentido opuesto.

¿QUE ES FUERZA DE ACCION A DISTANCIA Y POR QUE ES IMPORTANTE COMPRENDER EL CONCEPTO DE PESO?

La acción a distancia es una característica de las descripciones prerrelativistas de los campos de fuerzas de partículas que interactúan entre sí. Esta propiedad implica que para cada instante de tiempo las fuerzas sobre una partícula concreta debida a otras partículas depende de las posiciones de esas otras partículas en el mismo instante, como si la fuerza "se transmitiera instantáneamente" o existiera una "acción a distancia" por parte de las otras partículas. El peso resulta de la interacción de dos cuerpos por el hecho de tener ambos masa, es decir, masa del cuerpo que cae y la masa de la tierra. El peso se mide con un instrumento llamado dinamómetro y su unidad se expresa en Newton (N). Una característica muy especial del peso es que varía, ya que depende de la fuerza de gravedad de la Tierra, o bien, de la fuerza con que el planeta o cuerpo atrae a los objetos hacia el centro. Como la Tierra posee una forma más o menos esférica y achatada en los Polos, la distancia entre el centro de la Tierra y los Polos es menor que la distancia entre el centro de la Tierra y el Ecuador. De acuerdo a esta información se establece que la fuerza de gravedad en los Polos es mayor que en el Ecuador, y esto está determinado por la distancia entre ambos puntos y el centro de la Tierra

¿QUE ES FUERZA CENTRIPETA Y POR QUE ES FUNDAMENTAL TENER CLARIDAD EN EL CONCEPTO EN EL MOVIENTO CIRCULAR?

 Se llama fuerza centrípeta a la fuerza, o al componente de la fuerza que actúa sobre un objeto en movimiento sobre una trayectoria curvilínea, y que está dirigida hacia el centro de curvatura de la trayectoria. El término «centrípeta» proviene de las palabras latinas centrum, «centro» y petere, «dirigirse hacia», y puede ser obtenida a partir de las leyes de Newton. La fuerza centrípeta siempre actúa en forma perpendicular a la dirección del movimiento del cuerpo sobre el cual se aplica. En el caso de un objeto que se mueve en trayectoria circular con velocidad cambiante, la fuerza neta sobre el cuerpo puede ser descompuesta en un componente perpendicular que cambia la dirección del movimiento y uno tangencial, paralelo a la velocidad, que modifica el módulo de la velocidad. La fuerza centrípeta no debe ser confundida con la fuerza centrífuga, tal como se explica en la sección Malentendidos comunes En cinemática, el movimiento circular (llamado también movimiento circunferencial) es el que se basa en un eje de giro y radio constante, por lo cual la trayectoria es una circunferencia. Si, además, la velocidad de giro es constante, se produce el movimiento circular uniforme, que es un caso particular de movimiento circular, con radio fijo y velocidad angular constante. En los movimientos circulares hay que tener en cuenta algunos conceptos específicos para este tipo de movimiento: Eje de giro: es la línea alrededor de la cual se realiza la rotación, este eje puede permanecer fijo o variar con el tiempo, pero para cada instante de tiempo, es el eje de la rotación. Arco: partiendo de un eje de giro, es el ángulo o arco de radio unitario con el que se mide el desplazamiento angular. Su unidad es el radián. Velocidad angular: es la variación de desplazamiento angular por unidad de tiempo. Aceleración angular: es la variación de la velocidad angular por unidad de tiempo. En dinámica del movimiento giratorio se tienen en cuenta además: Momento de inercia: es una cualidad de los cuerpos que resulta de multiplicar una porción de masa por la distancia que la separa al eje de giro. Momento de fuerza: o par motor es la fuerza aplicada por la distancia al eje de giro.

¿POR QUE ES IMPORTANTE EL PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA ENERGIA?

 El principio de conservación de la energía. En el enunciado del principio de conservación de la energía es de capital importancia delimitar el sistema y clasificar las fuerzas como exteriores o interiores así como considerar si realizan o no trabajo cuando el sistema evoluciona. También es importante clasificar las fuerzas en conservativas y disipativas. El enunciado del principio de conservación será : “ En un sistema sobre el que no se realiza trabajo exterior alguno, la energía mecánica del mismo debe permanecer constante “. Si Wext = 0 Si en el sistema anterior hay fuerzas interiores no conservativas como las fuerzas de rozamiento cuyo trabajo supone una disipación de la energía mecánica del sistema , el principio anterior tendremos que escribirlo así : Si Wext= 0 Por último, si sobre el sistema se realiza trabajo exterior , el principio de conservación lo escribiremos de la siguiente forma .

¿POR QUE ES IMPORTANTE TENER CLARO EL CONCEPTO DE TRABAJO EN FÍSICA?

En mecánica clásica, el trabajo que realiza una fuerza sobre un cuerpo equivale a la energía necesaria para desplazar este cuerpo.1 El trabajo es una magnitud física escalar que se representa con la letra (del inglés Work) y se expresa en unidades de energía, esto es en julios o joules (J) en el Sistema Internacional de Unidades. Ya que por definición el trabajo es un tránsito de energía,2 nunca se refiere a él como incremento de trabajo, ni se simboliza como ΔW. Matemáticamente se expresa como: Donde F es el módulo de la fuerza, d es el desplazamiento y α es el ángulo que forman entre sí el vector fuerza y el vector desplazamiento. Cuando el vector fuerza es perpendicular al vector desplazamiento del cuerpo sobre el que se aplica, dicha fuerza no realiza trabajo alguno. Asimismo, si no hay desplazamiento, el trabajo también será nulo.