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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚTrabajo finalLas leyes de Newton y los estudiantes de ingeniería civil en el PerúTrabajo que como parte del curso de Cálculo Aplicado a la Física IIca, 15 de diciembre del 2020LAS LEYES DE NEWTON Y LOS ESTUDIANTES DE INGENIERÍA CIVIL ENEL PERÚResumenEn el presente tra...

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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ

Trabajo final

Las leyes de Newton y los estudiantes de ingeniería civil en el Perú

Trabajo que como parte del curso de Cálculo Aplicado a la Física I

Ica, 15 de diciembre del 2020

LAS LEYES DE NEWTON Y LOS ESTUDIANTES DE INGENIERÍA CIVIL EN EL PERÚ

Resumen En el presente trabajo se plantea el tema, aporte de las leyes de Newton en la planificación y ejecución de obras en obras de ingeniería civil en el Perú entre los años 2010-2017. Por ello, se realizó un estudio y una investigación detallada sobre la participación de las Leyes de Newton en proyectos de construcción civil, abordando en primer lugar, los conceptos básicos de cada ley formulada por Isaac Newton, donde se hace mención a las fórmulas fundamentales; a continuación su aplicación para la búsqueda de soluciones en la sociedad, mencionando los campos que abarca; finalmente el aporte que brinda para la facilitación en la realización de obras en el campo de la ingeniería civil, señalando la importancia de estas leyes en la construcción. Palabras clave: Construcción, ingeniería civil. Abstract In this paper, the subject is raised, report of Newton's laws in the planning and execution of works in civil engineering works in Peru between the years 2010-2017. For this reason, a study and detailed investigation was carried out on the participation of Newton's Laws in civil construction projects, addressing in the first place, the basic concepts of each law formulated by Isaac Newton, where mention is made of the fundamental formulas; then its application for the search for solutions in society, mentioning the fields it covers; finally, the contribution it provides for the facilitation in the execution of works in the field of civil engineering, pointing out the importance of these laws in construction. Key words: Building, civil engineer.

1. Introducción

A lo largo de la historia, mentes brillantes formularon conceptos e ideas que hoy en día nos sirven como base para realizar diversos cálculos, que posteriormente se vuelven objetos y edificaciones. Tales son las leyes de Newton, que fueron postuladas en 1687 por el físico y matemático inglés Isaac Newton, y que actualmente están presentes dentro de los temas de estudio de las diversas escuelas de ingeniería en nuestro país. Estos conocimientos ayudan a los estudiantes durante las clases, así también lo harán a futuro cuando sean profesionales y los requieran para una buena planificación de proyectos, incluyendo diversas obras originales de ingeniería. A partir de ello es importante reconocer el aporte de las leyes de newton para los estudiantes de Ingeniería civil en la región Ica entre los años 2013-2017. Por ende, la presente investigación formula la siguiente interrogante ¿De qué manera aportan las leyes de Newton para los estudiantes de ingeniería civil en la región Ica entre los años 2013-2017? A medida que avanza el tiempo, se van creando nuevos métodos de aprendizaje e interpretación para lograr una mejora en cada actividad que el hombre realiza, con el fin de poder beneficiar a la población en conjunto; por ello es importante que cada nuevo descubrimiento sea más fácil que el anterior, sin embargo, la utilización de las leyes de Newton, a pesar de tener varios años de antigüedad, se acomoda a las nuevas formas de enseñanza actuales. De esta manera, se pretende responder a la interrogante mostrando que, entre los años 2013-2017, las leyes de Newton aportaron a que los estudiantes de ingeniería civil en la región Ica cuenten con una visión más clara, respecto búsqueda de posibles soluciones frente a diversos problemas que se presentan en la vida diaria, así como también facilita la realización de trabajos de ingeniería. Es por esto que, durante los años de aprendizaje en la carrera de ingeniería civil, uno de los temas más importantes es el de las leyes de Newton, dentro del curso de cálculo aplicado a la física, el cual tiene como fin buscar soluciones a las diversas situaciones que se presentan dentro de la sociedad, con ayuda de múltiples expresiones matemáticas a través de la correcta interpretación, así pues Ferreira y Rodríguez (2011) mencionan que, “la enseñanza debe estar orientada entre otros aspectos, a desarrollar habilidades para aplicar los conocimientos adquiridos al análisis de situaciones nuevas que impliquen toma de decisiones y resolución de problemas” (p. 64). De las palabras de Ferreira y Rodríguez, podemos deducir que efectivamente la enseñanza que recibimos en las instituciones académicas nos forman para aplicar los

conocimientos en la vida real; es decir, fuera de los ejercicios simulados durante las clases, frente a situaciones que afecten a un determinado grupo de personas. Aún en todos los centros académicos del Perú no se aplican la gran variedad de métodos de aprendizaje usados en otros países para poder alcanzar un aprendizaje pleno de sus estudiantes, son solo algunas instituciones quienes emplean las formas más didácticas las cuales son realmente importantes, por ello Vásquez, García y Gonzales (1994) resaltan que “[Estas formas] permiten la conexión del alumno con la física y permiten conectar y extrapolar conceptos y teorías físicas en la vida cotidiana” (p. 64). Por las palabras del autor se puede afirmar que es importante que en la región Ica la enseñanza de uno de los temas más importantes para la formación de los futuros profesionales sea aplicada a través de prácticas experimentales, pues estas son de suma necesidad. El tema de investigación planteado es importante, ya que se dará a conocer de qué manera aportan las leyes de Newton durante la época de estudios de los jóvenes que en un futuro se convertirán en las nuevas generaciones de ingenieros civiles, los cuales son profesionales comprometidos con el desarrollo de su país en conjunto y además cumplen un rol importante dentro de sociedad a la que pertenecen, pues con ayuda de su ingenio y creatividad, estarán en una constante búsqueda de soluciones a diferentes nuevos problemas que se presenten; y por lo tanto, deben adquirir una serie de habilidades para lograr hacer el bien a través de un buen desempeño y trabajo en equipo gracias a los conocimientos adquiridos en sus años de preparación. Finalmente, aunque existen diversos métodos de enseñanza recientes, las leyes de Newton y su práctica pueden dar un gran aporte a los estudiantes de ingeniería civil, trayendoles grandes beneficios que favorecerá a su futuro profesional, por consiguiente, se presentan las siguientes ideas: conocimiento de los conceptos básicos de cada ley de Newton, con mención a las fórmulas fundamentales relacionadas con ingeniería; siguiendo con su aplicación para la búsqueda de soluciones dentro de la sociedad, resaltando los campos que abarca; y por último el aporte que brinda para la facilitación en la realización de obras en el campo de la ingeniería civil para conocer la importancia.

2. Las Leyes de Newton.

Estas leyes de Newton son la base de la mecánica y han ayudado a entender el movimiento planetario al combinarse con la ley de gravitación universal. Asimismo, las leyes de Newton también han sido determinantes para entender y explicar cómo funcionan las máquinas. Miguel nos afirma que: Los educadores deben preparar ejercicios de los ARs y los principales AIs, también; ejemplos y contraejemplos de los mismos. Deben tenerse en cuenta dos cosas importantes: primero, los ejemplos no deben repetir el mismo A1 para evitar su fijación, segundo, el uso de contraejemplos tiene que hacerse muy cuidadosamente, porque el cerebro del educando puede llegar a confundir las cosas y puede ocurrir que se recuerde el contraejemplo como un ejemplo. (1986) Con esto vemos lo importante que es llevar la física a la vida real con ejemplos que al estudiante les sirva para aplicarlo en la vida diaria y más en el rubro de ingeniería civil como herramienta de trabajo para futuros proyectos.

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El enfoque de una enseñanza clara para los estudiantes de educación superior es que esta tiene que ser experimental para el mejor entendimiento del mismo, sino caemos en un conflicto en relación con la falta de motivación a los estudiantes. Según consolida Miguel que: Las tres leyes son una unidad didáctica y como tal deben enseñarse de manera correcta. En general se comete el error de dar mucho énfasis a la segunda ley y tratar rápidamente a la primera y más aún a la tercera. Por el contrario, al final del tema deben abundar los ejemplos en que se usan las leyes simultáneamente.

De modo que se permita a los estudiantes estar en constante enfrentamiento con sus ideas previas y poner a prueba sus predicciones, dándoles mayor comprensión de los problemas y poder realizar la transcripción de los datos proporcionados al lenguaje matemático.

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Como es conocido tanto los estudiantes como los adultos presentan diversas dificultades al momento de interpretar la transformación del modelo físico y luego asociarlo a las creencias cotidianas, ya que son conceptos muy precisos sin darles la oportunidad de investigar el tema a tratar. Se puede conceptuar que: En primer lugar, las preconcepciones de los estudiantes, que en general son fijadas muy fuertemente y provienen de una errónea interpretación de la realidad. En segundo lugar, el desconocimiento de los prerrequisitos, hay confusiones llamativas en la cinemática entre velocidad y aceleración. En el caso de la fuerza resultante, no especifican todas las fuerzas o suman mal. En último lugar, el principal error al interpretar una ley dada proviene del desconocimiento de las otras. (O.Miguel, 1986) Con lo que podemos concluir que los conceptos científicos que se formulan a partir de la vida cotidiana, hacen que se plantee la necesidad de organizar y explicitar la información que llevara a reflexionar y cuestionar las estructuras existentes en el alumno.

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3. Primera Ley de Newton. La primera ley de Newton o ley de inercia nos dice que un cuerpo no puede cambiar por sí solo su estado inicial, ya sea en reposo o en movimiento rectilíneo uniforme, a menos que se aplique una fuerza o una serie de fuerzas cuya resultante no sea nula. A partir de ello, Miguel nos define que: “ «Si la fuerza resultante que actúa sobre un cuerpo es nula, permanecerá a velocidad constante (en un sistema de referencia inercial)». Los requisitos de la ley son los conceptos «velocidad constante», con su caso particular v'= O «fuerza resultante» y la relación de implicación, aunque no se le exprese en forma explícita: es importante señalar que la ley vale también en sentido inverso: si observamos que un cuerpo se mueve a velocidad constante, entonces podemos asegurar que la fuerza resultante sobre él vale cero”. (1986) Con esto podemos ver que como consecuencia que un cuerpo conserva su estado de reposo o movimiento rectilíneo uniforme si es que no hay una fuerza actuando sobre él. Por lo que el cuerpo dejará su estado original y tomará uno nuevo.

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Por otro lado, al tratar de comprobar la primera Ley de Newton “El estado de reposo o movimiento rectilíneo de un cuerpo se mantiene mientras sobre el no actúen otros cuerpos” de manera experimental, se genera el problema de factores externos los cuales no se pueden controlar completamente, dificultando la posibilidad de tener resultados exactos. Desde el punto de vista metodológico, la dificultad que existe en el estudio de la Ley de la Inercia está relacionada con la imposibilidad de crear las condiciones ideales en las cuales esta ley se cumple “exactamente”. Es necesario que los alumnos comprendan que ni un solo experimento puede confirmar la ley de la inercia con exactitud absoluta los experimentos sobre confirman que mientras menor sea la interacción, tanto menos cambiará la velocidad del cuerpo. Si continuamos este tipo de razonamiento (sobre la base de atracción o idealización) podríamos concluir que sí sobre un cuerpo no actúan otros cuerpos, el conservar su estado de movimiento.(Villa, J. y Sierra, C, 2008) De esto podemos concluir que la propiedad de la inercia se encuentra presente en todos los cuerpos existentes, pero al llevar esto a la experimentación se dificulta la posibilidad de poder comprobarla de manera exacta debido a la cantidad de factores externos que se deben de limitar, concluyendo así que solo se puede dar en escenarios con condiciones ideales. 4. Segunda Ley de Newton. La segunda ley de Newton es la que determina una relación proporcional entre fuerza y variación de la cantidad de movimiento o momento lineal de un cuerpo. En otras palabras,

la fuerza es directamente proporcional a la masa y a la aceleración de un cuerpo. Se puede afirmar que: Los prerrequisitos de esta ley son los de fuerza resultante y de aceleración. Los ejemplos de aceleración son los contraejemplos de velocidad constante. Es allí donde debe ponerse especial atención al caso en que la aceleración implica un cambio en la dirección (ejemplifica más) y a los casos en que haya velocidad nula pero aceleración, como pueden ser: una piedra arrojada hacia arriba en el momento de pasar por el punto más alto o el de un péndulo o sistemas resorte-masa en el extremo de su oscilación. (O.Miguel, 1986) Con esto esta ley nos explica qué es lo que ocurre si sobre un cuerpo en movimiento (cuya masa no tiene por qué ser constante) actúa una fuerza neta: la fuerza modifica el estado de movimiento, cambiando la velocidad en módulo o dirección. Concretamente, los cambios experimentados en la cantidad de movimiento de un cuerpo son proporcionales a la fuerza motriz y se desarrollan en la dirección de esta; por lo que, las fuerzas son causas que producen aceleraciones en los cuerpos.

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5. La tercera ley de Newton. Esta ley señala que: A toda acción sucede siempre una reacción igual o contraria, o sea, las acciones mutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas. (Orozco-Echeverri, 2016). Por tal motivo a esta ley se le conoce como el principio de acción y reacción, ya que cuando un cuerpo ejerce una fuerza sobre

otro, este reacciona ejerciendo una fuerza sobre el primero en el sentido contrario. La primera de las fuerzas recibe el nombre de fuerza de acción y la segunda fuerza de reacción, las cuales no se anulan porque han sido aplicadas a dos cuerpos distintos. Este principio se aplica no sólo a interacciones por contacto, sino también a fuerzas a distancia. Por ejemplo, el sol, debido a su masa, ejerce una fuerza de atracción sobre la tierra, pero esta última también ejerce una fuerza de atracción sobre el sol de igual valor y sentido contrario. Esto hace que tanto la tierra como el sol orbitan alrededor de un punto común: el centro de masas de ambos. Dado que la masa del sol es mucho mayor a la de la tierra, este punto se encuentra en el interior del propio sol, y la única órbita que se aprecia es la de nuestro planeta alrededor del astro rey. El ejemplo hace dar cuenta que fuerzas de igual valor no implican efectos iguales. Así, el efecto de la fuerza sobre la tierra es mucho más evidente que sobre el sol.

6. Aplicación de las leyes en la ingeniería civil. ·

Puentes: Los puentes son estructuras pensadas para salvar obstáculos naturales

tales como ríos, valles, lagos o brazos de mar, y algunos otros artificiales como vías férreas o carreteras, con la finalidad del transporte vehicular, el de productos, permitir la circulación de las personas y trasladar sustancias de un sitio a otro. Para poder construirlo de forma segura, se debe emplear, por ejemplo, la ley de acción-reacción, en las uniones de las columnas del puente con las orillas del río o lago, y la ley de la gravitación, para que la base por donde se transita esté bien sujeta y no tienda a desplomarse. ·

Edificios: Un edificio es una construcción realizada con materiales sólidos, usado

para el alojamiento de personas y objetos, funcionando como una vivienda, por ejemplo. Aquí las leyes son de suma importancia, en primer lugar, para permitir que la base de la edificación, esté bien fija al suelo, y luego para que, con el uso de columnas y pilares, se le brinde la estabilidad necesaria, en especial a las construcciones de mayor altura o con estructura inclinada.

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Canales de irrigación: Estos canales son obras que deben estar pensadas de forma

cuidadosa para no causar algún tipo de daño al medio ambiente y para el uso de la menor cantidad de agua posible. Muchas veces, el terreno por el que pasan estos canales, no es plano, y hasta puede pasar por una pendiente. Es por ello que las leyes influyen para que la inclinación que tendrá el canal al pasar por allí, sea la adecuada para que el agua no se desborde al caer.

7. Aplicación de las leyes en múltiples campos. ●

Salud: Es este sector, se aplica en la determinación de impacto sanitario, proyectiles para las enfermedades venéreas y mortales. A su vez, plantea soluciones rápidas para los desastres fomentados ocasionalmente en el país, pues se obtienen respuestas antes de las 24 horas, en donde será factible declarar alguna emergencia y pedir apoyo.

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Informática: El aprendizaje actual estaba basado en programas, emuladores, etc; en donde se tiene en cuenta las dinámicas que presentan para los estudiantes, siendo así, las Leyes de Newton una forma eficaz en la resolución de conflictos animados de estadísticas, partículas, balances y muchos más.

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Comunicación: En este sector, específicamente abarca los campos televisivos y radios, ya que se calcula la rapidez de las transmisiones presentadas en ambos casos. De esta manera, se obtiene un registro de información instantáneo trabajado por los conocedores.

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8. Propuestas sobre el mejoramiento del aprendizaje de las leyes para los ingenieros civiles. La mente humana tiene la capacidad de almacenar toda la información que consideramos necesaria o importante en nuestras vidas, como los recuerdos, la enseñanza de los profesores, los diálogos, entre otros; sin embargo, muchas veces las personas almacenan información no necesaria en la memoria a largo plazo. La falta de interés es uno de los problemas más comunes en los alumnos para llevar a cabo un buen aprendizaje, lo cual podría traer graves consecuencias para su carrera profesional, además Osaba Rodríguez y Ruque Álvarez dicen que:

La presencia e influencia de la ciencia y la tecnología en la sociedad han formado un camino hacia una cultura científica, por ende, la necesidad de transformar la enseñanza de la ciencia tradicional y pragmática a una visión cultural más abarcadora. Además, la física puede ser interpretada como una esfera de la actividad humana dirigida a la obtención de nuevos conocimientos sobre la naturaleza, el hombre y la sociedad mediante el método científico que se refleja en leyes, fundamentos, conceptos y tendencias al desarrollo. La ingeniería es la ocupación que sitúa su efecto de trabajo en la instrucción y la tecnología como un conjunto de beneficios y medios que se integran (2015, p. 3). Lo cual según los autores es un fundamento válido, ya que con el pasar del tiempo siempre se ha mantenido la misma metodología clásica. Si lo comparamos con el avance productivo de la sociedad, vemos que el aprendizaje se ha detenido frecuentemente; por lo tanto, la clave para fomentar un mejor aprendizaje en las leyes de Newton y otros conceptos importantes para el ingeniero civil, pueden ser las siguientes afirmaciones: -Planteamiento didáctico: El proceso constructivo de la pedagogía en base a las leyes de Newton es fundamental para el catedrático; es decir, tiene que promover el dominio especializado del saber que el ingeniero civil necesita para la elaboración de nuevos y futuros proyectos, además ...