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SISTEMAS DINÁMICOS I Comisión 3 Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional San Rafael

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Área Sistemas Dinámicos ASIGNATURA: Física 1 FÍSICA I PLANILLA DE PLANIFICACIÓN ACADÉMICA 2020 Reflexión general del Área Sistemas Dinámicos: • Aprender a aprender (saberes que vamos a construir, docentes y estudiantes) • Aprender a hacer (capacidades que vamos a desarrollar) • Aprender a ser ( solidaridad, ética, responsabilidad, valores) • Aprender a convivir (Trabajar en Equipo y por Proyectos) • Aprender a emprender (Imaginación, Creatividad y una formación sólida nos permitirá formar parte de nuevos desarrollos . tecnológicos y económicos) La ingeniería es una disciplina apasionante que requiere creatividad e imaginación, así como conocimientos y una manera de pensar sistemática. Ha'angapy'ãrekóva arandu'ỹre, ipepo ha ndaipýi Who has imagination without instruction, has wings without feets El que tiene imaginación sin instrucción, tiene alas sin pies

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Esta asignatura es del primer nivel para todas las carreras, se la considera dentro del bloque de materias homogéneas y es de dictado anual. La propuesta de la cátedra hace que se mantenga esa homogeneidad en función de las carreras. Esto está fundamentado en el perfil profesional de cada una de estas carreras, consideramos que algunos de los temas se deberían profundizar más que otros, si bien todos ellos son importantes para la formación del Ingeniero Tecnológico.

Director del Departamento: Ing. Ing.Hugo Garcia Equipo docente: Ing. Javier Garcia Lic. Jorge Dominguez Dra. Ing. María Eugenia Compagnoni Esp. Ing. Carlos Samudio

Asignatura: Física I

Carga horaria semanal: 5 hs. cátedra.

Carga horaria total: 160 hs. cátedra.

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Ciclo Lectivo: 2020

METODOLOGÍA (Estrategias Pedagógicas) En los últimos años la investigación sobre aprendizaje y enseñanza de la física se ha interesado en el estudio de las ideas in tuitivas de los alumnos acerca de los fenómenos naturales y sus causas. Los resultados recientes muestran que las ideas intuitivas de los alumnos difieren significativamente del contenido formal de las asignaturas, interfiriendo en su aprendizaje y siendo responsables, en buena parte, de la dificultad que en cuentran en esta asignatura, y de su bajo rendimiento comparado con otras áreas. Por ello se trata en lo posible de llevarlos a descubrir sus errores conceptuales, de proporcionarles un número suficiente de anomalías que les creen un conflicto cognitivo que haga posible la reconsideración de tales ideas, TAMBIEN de utilizar analogías y modelos adecuados para facilitar la comprensión de las nuevas ideas, aplicar técnicas de MEDICIÓN DE ENSEÑANZAS APRENDIZAJES que permitan seguir el proceso de modificación con ceptual. La teoría y la práctica de un tema constituyen dos aspectos inseparables del mismo. Debido a lo anterior se evitará la separación entre las clases teóricas-prácticas y se prestará especial atención al trabajo en equipo (*1) e individual del alumno para permitirle autogestionar su aprendizaje. En las intervenciones docentes se utilizarán la exposición abierta y la discusión dirigida, lo que permitirá la participación del alumno sujeto activo del aprendizaje. El diálogo se materializará a través del planteo de situaciones conceptualmente conflictivas que estimulen la formulación de preguntas y la libre expresión de ideas y opiniones, llevando al sujeto a reflexionar sobre su propio aprendizaje. Los ordenadores con y sin conexión a Internet cumplirán un rol fundamental debido a que pone en manos de los estudiantes una herramienta de gran valor para simular y modelar sistemas físicos. Los docentes y los alumnos, dispondrán del curso de física interactiva con ordenador (http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica3/), el software Matemática, Working-Model y Data Studio para recoger las mediciones en las prácticas de laboratorios. Con estas herramientas deberán encontrar el o los modelos matemáticos para cada desafío, fenómenos naturales o experiencias inducidas. También se utilizarán, como elementos motivadores, demostraciones sencillas a fin de ilustrar los conceptos y estimular el pensamiento crítico. La realización de actividades experimentales, algunas orientadas hacia la comprobación de leyes o principios y otras hacia el redescubrimiento, también juega un papel significativo ya que a través de ellas el estudiante se pone en contacto con la metodología básica que se utiliza en esta ciencia para describir hechos, formular leyes y solucionar problemas. Para estas prácticas de laboratorios se utilizarán los equipos disponibles de

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Xplorer Glx con sensores de medición de fuerza, posición, velocidad, aceleración, velocidad angular etc. lo cual les permitirá visualizar y medir los parámetros fundamentales de situaciones estudiadas. La resolución de problemas ayudará a inducir la revisión y debate de algunos conceptos básicos del tema en estudio, mostrar al alumno su utilidad para predecir el comportamiento de los sistemas físicos, enseñar a intuir resultados cualitativos, discutir desde el punto de vista físico una relación matemática entre magnitudes, utilizar correctamente el Sistema Métrico Legal Internacional y desarrollar hábitos adecuados para su resolución. Muchos de los ejemplos y problemas son tomados de la práctica de la ingeniería y comprenden desde artículos caseros hasta aplicaciones complejas de la ingeniería. El estudiante explora diferentes situaciones físicas motivado por la duda de “qué pasaría si…”, con ayuda del simulador Working Model y así desarrollar una agudeza conceptual más profunda que la adquirida con una sola resolución cuantitativa de los problemas. Estos desafíos, los transformamos en modelos matemáticos, luego el Software Mathematica, permitirá al alumno, visualizar para distintas condiciones iniciales, soluciones verificables en el simulador y/o, herramientas disponibles en el laboratorio (Datalloger). Se propicia en todo momento el trabajo en equipo y el aprendizaje basado en proyectos, en el interior de estos deberán encontrar las respuestas a los desafíos planteados por el equipo docente, interactuar solidariamente entre sí y una vez agotada esa instancia de nivelación de conocimiento por equipo y haber consultado libros, información online, apuntes de clase, etc. podrán consultar con los docentes en clase, evitando la dependencia del equipo docente. Es decir, en todo momento se propicia el aprendizaje “autónomo”, de esta manera el alumno encuentra su propio estilo de aprender y lo puede aplicar en todos los ámbitos de su vida. Además, al motivar la autonomía en el aprendizaje, el futuro profesional es capaz de aprender en forma permanente. Priorizar el trabajo en equipo (*1): Se realizarán guías de trabajo teórico-práctico y prácticas de laboratorio, fomentando el trabajo en equipo. Para ello cada guía contara con tantos desafíos como mesas compuestas por Equipos hasta 6 alumnos. Cada Equipo deberá encontrar un modelo de solución, simularlo y fundamentar las mediciones, resultados y/o conclusiones obtenidas. De acuerdo a la complejidad del desafío se establecerá fecha y horario de entrega del trabajo. Los fundamentos y conclusiones serán realizadas manuscrito e individual. Enviaran en formato PDF y/o JPG al correo institucional, preestablecido. Es decir que el equipo docente busca, básicamente que junto a los conceptos de la física se desarrollen dos capacidades clave: Anticipación: Ser capaz de enfrentarse a situaciones nuevas o desconocidas. Participación: Todos trabajan juntos y de forma constructiva para el presente y futuro. (*1) Se adjunta a esta planificación la metodología de como trabajar en equipo.

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1. Contenidos:

Unidad Temática I: Introducción a la Física – Unidades y Magnitudes – Errores. (8 hs – 2 semanas) Introducción a la física. Método experimental. Magnitudes físicas. Clasificación. Operaciones básicas con magnitudes escalares y vectoriales. Sistemas de Unidades. Estándares. Sistema Internacional de Medidas. Análisis dimensional. Conversiones de unidades. Prefijos: Múltiplos y submúltiplos. Estimaciones y cálculos de orden de magnitud. Cifras significativas. Redondeo. Notación científica. Proceso de medición. Calidad de las mediciones. Incertezas. Fuentes de las incertezas. Expresión correcta de una medición. Mediciones directas e indirectas. Propagación en suma y resta. Incerteza relativa. Exactitud y precisión. Propagación en producto y cociente. Análisis gráfico de las incertezas. Propagación en el cálculo de volúmenes y otras funciones. Objetivos específicos: • • •

Analizar y aplicar las etapas del método experimental. Reconocer e identificar las incertezas en los procesos de medida para su Adquirir habilidades para la resolución de situaciones problemáticas.

tratamiento cuantitativo.

Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA) • • • • • • • •

Distinguir entre magnitudes vectoriales y escalares y elegir la forma apropiada de representarlas. Conocer los elementos propios de los vectores geométricos y su representación en el plano cartesiano. Realizar operaciones con vectores en forma gráfica. Aplicar las operaciones de suma, resta y producto de vector por escalar. Calcular producto escalar, vectorial y mixto entre vectores. Conocer las propiedades de dichos productos. Aplicar los productos entre vectores a situaciones problemáticas geométricas y físicas. Explicar y ejemplificar el proceso de observación.

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Formular, frente a un hecho concreto, el problema correspondiente. Formular una hipótesis ante un fenómeno determinado. Diseñar un experimento para validar o refutar una hipótesis. Elaborar un modelo matemático de un fenómeno sencillo. Diferenciar los conceptos de cantidad y magnitud. Conocer las unidades del SIMELA y las normas de escritura. Aplicar el principio de homogeneidad dimensional. Reconocer la presencia de incertezas en el proceso de medición. Diferenciar las incertezas accidentales de las sistemáticas

• • • • • • • •

Unidad Temática II: Cinemática de la partícula. (12 hs – 3 semanas) Movimiento en una dimensión. Posición velocidad y rapidez. Velocidad y rapidez instantánea. Modelos de análisis: La partícula bajo velocidad constante. Aceleración. La partícula bajo aceleración constante. Objetos en caída libre. Ecuaciones cinemáticas deducidas del cálculo. Vectores de posición, velocidad y aceleración. Movimiento en dos dimensiones con aceleración constante. Movimiento del proyectil. Partícula en movimiento Circular Uniforme. Aceleraciones tangencial y radial. Velocidad y aceleración relativa. Objetivos específicos: • • •

Reconocer distintos tipos de movimientos de una partícula a partir de la formulación de las ecuaciones que los rigen y desde la interpretación gráfica. Aplicar el principio de superposición de movimiento. Obtener destrezas para la aplicación de los conocimientos adquiridos. Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA)

• • • • •

Interpretar los conceptos de trayectoria, desplazamiento, velocidad y aceleración. Comprender, reconocer y describir los principales tipos de movimientos. Trazar gráficos de posición, velocidad y aceleración en función del tiempo. Describir movimientos desde distintos sistemas de referencia inerciales.

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Describir y analizar cinemática y dinámicamente los movimientos parabólico y circular.

•

Unidad Temática III: Dinámica de la partícula. (12 hs – 3 semanas) Concepto de fuerza. Primera ley de Newton y marcos inerciales. Masa. Segunda ley de Newton. Fuerza gravitacional y peso. Tercera ley de Newton. Algunas aplicaciones de las leyes de Newton. Fuerzas de fricción. Segunda ley de Newton para una partícula en movimiento circular uniforme. Movimientos circulares no uniformes. Objetivos específicos: • • •

Analizar sistemas de fuerzas sobre partículas. Interpretación de fuerzas de contacto. Aplicación de las leyes de Newton para movimientos complejos. Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA)

• • • • • • • • • • • •

Analizar los enunciados de los principios de la dinámica en su aspecto lógico. Interpretar los conceptos de masa, fuerza y peso. Describir interacciones de contacto o a distancia. Construir Diagramas de cuerpo libre. Aplicar las leyes de Newton. El vector desplazamiento. Velocidades media e instantánea. Aceleraciones media e instantánea. Componentes de la aceleración. Fuerza centrípeta. Movimientos relativos. Movimientos de un proyectil en el vacío y con rozamiento: ecuación de la trayectoria, altura de culminación y alcance.

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Unidad Temática IV: Trabajo y Energía. Colisiones. (16 horas – 4 semanas) Sistemas y entornos. Trabajo realizado por una fuerza constante. Definición y expresión algebraica. Trabajo realizado por una fuerza variable. Trabajo realizado en un resorte. Energía cinética y el teorema trabajo – energía cinética. Energía potencial de un sistema. Energía potencial gravitatoria y elástica. Fuerzas conservativas y no conservativas. Correspondencia entre fuerzas conservativas y energía potencial. Diagrama de energía y equilibrio de un sistema. El sistema aislado. Situaciones que incluyen fricción cinética. Cambio en energía mecánica para fuerzas no conservativas. Potencia. Cantidad de movimiento lineal y su conservación. Impulso y cantidad de movimiento. Colisiones en una dimensión. Colisiones en dos dimensiones. El centro de masa. Objetivos específicos: • • •

Identificar y analizar sistemas conservativos y no conservativos. Aplicar la ley de conservación de cantidad de movimiento para la resolución de problemas. Entender y analizar colisiones de fenómenos que se dan en una o dos dimensiones. Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA)

• • • •

Interpretar los conceptos de trabajo, potencia y energía. Explicar y aplicar en fenómenos físicos utilizando el teorema del trabajo y la energía y el principio de conservación de la energía mecánica. Explicar Aplicar los principios de conservación en la interpretación de los fenómenos físicos.

Unidad Temática V: Cinemática y Dinámica de los sólidos. (16 horas – 4 semanas) Posición, velocidad y aceleración angular. Cinemática rotacional: Objeto rígido bajo aceleración angular constante. Cantidades angulares y traslacionales. Energía cinética rotacional. Cálculo de momentos de inercia. Aplicación del teorema de ejes paralelos. Momento de torsión. Objeto rígido bajo un momento de torsión neto. Consideraciones energéticas en el movimiento rotacional. Movimiento de rodamiento de un objeto rígido. Producto vectorial y momento de torsión. Cantidad de movimiento angular: El sistema no aislado. Cantidad de movimiento

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angular de un objeto rígido giratorio. El sistema aislado: Conservación de la cantidad de movimiento angular. El movimiento de giroscopios y trompos. Objetivos específicos: • • •

Establecer relaciones entre las magnitudes angulares y traslacionales. Caracterizar la rotación de un cuerpo rígido alrededor de un eje fijo. Analizar los fenómenos físicos y efectos que genera la rotación de un cuerpo rígido en una situación real. Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA)

• • • • •

Definir los conceptos de posición, velocidad y aceleración angular. Describir cinemática y dinámicamente movimientos de rotación. Comprender los conceptos de momento de una fuerza, inercia rotacional y cantidad de movimiento angular. Explicar fenómenos físicos utilizando el principio de conservación de la cantidad de movimiento angular.

Unidad Temática VI: Condiciones de equilibrio. Tensión y deformación. (12 horas – 3 semanas) Objeto rígido en equilibrio. Centro de gravedad. Ejemplos de objetos rígidos en equilibrio estático. Propiedades elásticas de los sólidos. Elasticidad. Tensión y deformación. Módulo de Young, módulo elástico de rigidez o al corte, modulo elástico de volumen. Objetivos específicos: • • •

Establecer las condiciones para el equilibrio estático de una fuerza. Indicar las propiedades mecánicas de cuerpos sólidos. Aplicar los conocimientos adquiridos en la resolución de situaciones problemáticas.

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Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA)

• • • • • •

Explicar los conceptos de elasticidad, esfuerzo, deformación y módulo de Elasticidad. Definir las condiciones de equilibrio de un sistema. Resolver problemas aplicando las condiciones de equilibrio. Diferenciar los distintos tipos de equilibrio. Comprender la diferencia entre centro de masa y centro de gravedad.

Unidad Temática VII: Fluidos en equilibrio. Dinámica de los fluidos. (12 horas – 3 semanas) Presión. Variación de la presión con la profundidad. Ley de Pascal. Mediciones de presión. Fuerza de flotación y principio de Arquímedes. Dinámica de los fluidos. Ecuación de continuidad para fluidos. Ecuación de Bernoulli. El tubo Venturi. Ley de Torricelli. Otras aplicaciones de la dinámica de fluidos. Objetivos específicos: • Caracterizar tipos de flujos y sus comportamientos. • Interpretar principios y ecuaciones que rigen para los distintos tipos de flujos. • Aplicar los conocimientos adquiridos para la resolución de situaciones problemáticas. Niveles mínimos y básicos del aprendizaje(NMBA) • Definir los conceptos de densidad, presión absoluta y presión manométrica. • Interpretar y utilizar los principios básicos aplicables a los fluidos en equilibrio. • Comprender el concepto de tensión superficial y sus aplicaciones. • Interpretar el concepto de flujo estacionario y de tubo de flujo. • Identificar las condiciones necesarias para la aplicación de los principios básicos de la dinámica de fluidos. • Interpretar cualitativamente las relaciones entre sección velocidad y presión. • Resolver problemas utilizando la ecuación de continuidad y el teorema de Bernoulli.

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Unidad Temática VIII: Movimiento oscilatorio. Movimiento ondulatorio. (16 horas – 4 semanas) Movimiento de un objeto unido a un resorte. Partícula en movimiento armónico simple. Período. Frecuencia. Energía del oscilador armónico simple. Comparación del movimiento armónico simple con movimiento circular uniforme. El péndulo. Péndulo físico. Péndulo de torsión. Oscilaciones amortiguadas. Oscilaciones forzadas. Propagación de una perturbación. El modelo de onda progresiva. La rapidez de ondas en cuerdas. Reflexión y transmisión. Rapidez de transferencia de energía mediante ondas sinusoidales en cuerdas. Potencia de una onda. Rapidez de ondas sonoras. Ondas sonoras periódicas. Intensidad de ondas periódicas. El efecto Doppler. Ondas estacionarias. Ondas estacionarias en una cuerda fija en ambos extremos. Resonancia.

Objetivos específicos: • • •

Describir y aplicar la re...