TRABAJO Y ENERGÍA

I.B.Q. Elizabeth Pérez Zepeda

INTRODUCCIÓN.En el presente trabajo se pretende desarrollar uno de los contenidos de Física

clásica, trabajo y energía, el cual pertenece a el plan de estudios del CECyT 3 del I.P.N., utilizando los lineamientos de la Didáctica Crítica. Debo aclarar que es un trabajo solicitado en la maestría en docencia, estudios llevado a cabo por la suscribe.

El contenido a desarrollar está inmerso en la asignatura de Física II, y para que el alumno pueda cursarla es necesario que haya llevado dos cursos de matemáticas. La importancia de haber cursado matemáticas, radica en que es la herramienta principal para el desarrollo de los contenidos de Física.

Objetivos: Describir las características del trabajo y la energía. Comprobar experimentalmente los principios básicos del

trabajo y la energía. Determinar las aplicaciones relacionadas con el trabajo y la

energía Resolver problemas correspondientes al tema

Contenidos de aprendizajeAntecedentes teóricos

Trabajo

En la vida cotidiana, el término trabajo se relaciona con cualquier actividad que requiere algún tipo de esfuerzo físico o mental. En la mecánica y estudio de la cinética, éstos esfuerzos son fuerzas externas que actúan sobre un cuerpo desplazándolo cierta distancia desde su punto inicial; por lo tanto, siempre que una fuerza actúa a lo largo de una distancia, sobre una partícula, se realiza trabajo. Su valor se relaciona con el valor de la fuerza aplicada y el desplazamiento causado por la fuerza.

Considere las siguientes figuras. Ignore el efecto de la fricción en la superficie plana. La fuerza Fa está aplicada verticalmente sobre el objeto; pero ésta fuerza no logra desplazar al objeto por el eje x, debido a que la fuerza resultante no tiene componente en ése eje, y por la segunda ley del movimiento, éste objeto no tiene aceleración en ésa dirección.

La fuerza Fb logra desplazar cierta distancia al objeto por la superficie plana, debido a que tiene una componente paralela al movimiento, y el objeto obtiene una componente en x de la aceleración.

La fuerza Fx desplaza al objeto cierta distancia d, mayor al de la fuerza Fb, debido a que la fuerza está totalmente en dirección al desplazamiento.

Por lo anterior, el trabajo mecánico T es realizado por la componente paralela al desplazamiento d de la fuerza que lo realiza, y se define como:

T = F*d.

Donde F es la fuerza paralela al desplazamiento que realiza trabajo. El trabajo total realizado sobre una partícula es el producto de la fuerza resultante por el valor del desplazamiento d.

La expresión anterior que define el trabajo T es un producto escalar, y sólo interesa la magnitud y sentido de F y d. Es decir, a partir de un marco de referencia propuesto, se puede obtener un trabajo negativo si la fuerza está dirigida en sentido contrario al desplazamiento, como una fuerza de fricción de la superficie.

El trabajo T tiene unidades de N.m. en el sistema internacional (Newton - metro), lbf - pulgada en el sistema inglés. En el sistema internacional de medidas, un N.m es un Joule, representado por J, que son las unidades que definen la energía.

Energía.Es un concepto utilizado en el campo de las ciencias naturales en

general; es una propiedad que le permite a cualquier objeto físico realizar algún trabajo. Todas las transformaciones que puede percibir el hombre de la naturaleza son producto de algún tipo de energía, ésta última es la fuente de todo movimiento. Se manifiesta con cambios físicos y químicos, como por ejemplo el derretimiento de un hielo (físico) o el proceso digestivo del hombre (químico). La energía es un concepto abstracto, es decir, no se refiere a un objeto físico, es una herramienta matemática para asignar el estado de un sistema físico.

La física clásica presenta la siguiente clasificación:a) Mecánica:

Potencial: capacidad que tiene un cuerpo para realizar un trabajo dentro de un campo de fuerzas.

Cinética: energía que se requiere para mover un cuerpo b) Electromagnética

Radiante: energía que poseen las ondas electromagnéticas Potencial eléctrica: energía que utiliza una fuerza eléctrica para mover una carga

c) TermodinámicaInterna: resultado de la energía cinética y potencial de las moléculas y átomos. Asociada

al estado termodinámico. Térmica: energía liberada de la naturaleza en forma de calor. En segundo lugar la clasificación de la física relativa

a) RelatividadReposo: Asociada a la masa de una partícula. Medida por un observador que está en

reposo Desintegración: Es la diferencia de energía de una partícula inicial y posterior al proceso

de desintegración Por último la física cuánticaa) Vacío: Energía presente en el espacio, pese al carecimiento de materia.

Energía cinética, que es la energía asociada con la rapidez de una partícula. Como la energía se define a partir de un estado de referencia, la energía cinética es cero cuando la partícula no tiene rapidez, es decir, está en reposo.

La energía cinética, denotada por Ec y medida en Joules (J), se define como:

Ec = ½ mV2

donde m es la masa de la partícula (Kg) y v es su rapidez (m/s).

El concepto de energía se relaciona con el cambio de un estado. Por ello, en el estudio de la energía a veces interesa saber el cambio de energía. El símbolo ∆ (delta) indica un cambio en la propiedad a la que acompaña.

Suponga que en un estado 1, una partícula tiene una energía cinética Ec(1), y que en el estado 2 tiene una energía cinética Ec(2). El cambio de energía cinética de ésta partícula, medido en Joules (J) para los estados 1 y 2

Energía potencial, se define como la energía asociada a la posición de una partícula, y es una medida del potencial o posibilidad de efectuar trabajo.

Una forma de energía potencial es la que está asociada con el campo gravitacional, que hace efecto en los cuerpos por medio de su peso. Ésta es la energía potencial gravitatoria Ep, que relaciona el peso de un cuerpo y su altura sobre el suelo.

Para encontrar su valor, considere un cuerpo de masa m que está en reposo a una altura h(1), como se muestra en la figura. La única fuerza que actúa sobre el cuerpo es su peso w = m*g. Entonces, el trabajo neto sobre ella es: Ep = m*g*d.

Donde d es la distancia en la que se aplica la fuerza.

Si el objeto se deja caer hasta la altura h(2), entonces d = h(1) - h(2):Ep = m*g*(h(1) - h(2)) 

La energía potencial gravitatoria Ep se define como el producto de la masa por la aceleración de la gravedad por la altura h:

Ep = m*g*h

Entonces el trabajo es:T AB= m*g*h(A) - m*g*h(B) = Ep(A) - Ep(B)  

Ésta relación sólo es válida para el trabajo realizado por la fuerza de la gravedad.

Situación de aprendizaje.Equipo y material.1.Plano inclinado2.Carrito de Hall3.Regla y transportador 4.DinamómetroProcedimiento.

Deja caer libremente el carrito de Hall por el plano inclinado y determina con el cronometro el tiempo que tarda en llegar al final del plano. Con los datos obtenido llena las siguientes tablas.

Resultados.Tabla 1.

Tabla 2Tiempo (s) Posición

(m)Velocidad (m/s)

Energía cinética (J)

0123456789

Tabla 3.Punto final y punto inicial

Desplazamiento (m)

Trabajo (J)

Cambio de energía cinética (J)

Finalmente la evaluación, se realiza entre los miembros del equipo y el profesor.

El profesor a su vez durante el desarrollo del proceso enseñanza aprendizaje, realiza un registro del desempeño del equipo de trabajo, al inicio, durante y al final.

Con los datos obtenidos realiza una gráfica de cambio de energía cinética contra trabajo.Preguntas.1. ¿Qué tipo de curva muestra la gráfica de cambio de energía cinética contra trabajo? 2. ¿Cuál es el valor de la pendiente de la recta que se ajusta a la gráfica de cambio de energía cinética contra trabajo? 3. ¿Cuál es el valor donde cruza la recta con el eje vertical? 4. ¿Qué significado tiene que pase por el origen? 5. ¿A partir de la gráfica de cambio de energía cinética contra trabajo, qué relación existe entre ambas variables?

CONCLUSIÓN:La Didáctica Crítica es una propuesta no acabada, cuya esencia radica

precisamente en irla construyendo sobre la marcha, donde cada profesor tiene que enfrentar la tarea de construir su versión critica de la Didáctica Crítica. Se caracteriza por contraponerse a la Sistematización de la Enseñanza.

En la Didáctica Crítica se propone un proceso enseñanza aprendizaje grupal que resulte de la reflexión y la crítica de las situaciones de aprendizaje, donde se recomienda la valoración hecha por el grupo acerca de las resistencias que encontró en el proceso de aprendizaje, tanto a nivel de grupo como a nivel individual.

Sin duda la Didáctica Crítica representa cambios importantes en el proceso enseñanza aprendizaje, el cual siempre será un proceso inacabado debido a las grandes defenecías que existen entre las generaciones con las que trabajamos los docentes a lo largo de nuestra vida laboral, el problema, desde mi punto de vista, es que los maestros de nuevo somos enfrentados a cambios para los cuales tenemos que aprender sobre la marcha.

Esta propuesta se aplica al nivel superior, mostrando de nuevo una desvinculación entre los diferentes niveles de nuestro sistema educativo, por lo cual pienso que como país seguimos con las mismas prácticas de fondo que no nos han funcionado durante décadas.

REFRENCIAS.1.Didáctica Crítica. 2102. Recuperado en diciembre de 2015 de:

http://didacticaequipotelerines.blogspot.mx/2012/05/didactica-critica.html#!/2012/05/didactica-critica.html

2.Pedagogía y didáctica crítica. Modelo alternativo. 2009. Recuperado en diciembre de 2015 de: http://www.eumed.net/tesis-doctorales/2009/erar/Pedagogia%20y%20didactica%20critica.htm

3. La teoría crítica en la teoría educativa y los diseños curriculares de Wolfgang Klafki. Recuperado en diciembre de 2015 de: http://www.ual.es/~chroith/pdf/Klafki.pdf