Trabajo y Energia- Montaña Rusa y leyes de Newton Final PDF

Preview

Summary

Trabajo y Energía- Montaña Rusa y leyes de Newton Final En este trabajo de física llamado la montaña rusa está hecho con el fin de entender el movimiento y recorrido de la esfera en la montaña rusa donde podremos observar que la validez no solo se limita a los objetos de nuestro planeta sino tambié...

Description

“Año de la universalización de la salud”

ASIGNATURA: CAF1 SEMESTRE: 2020-2

Montaña Rusa y las Leyes de Newton INTEGRANTES: 

Buendía Barrientos, Liliana

U18101713



Carranza Ortega, Jesús Alejandro

U19309853



García Salazar, Yohanny

U18200449



Guerrero Orihuela, Leonel Smith

U20205927



Lázaro Becerra, Alejandro Edmilson

U18312388



Quintana Cuba, Ronald André

U20238260



Rojas Castro, Denis

U19206856

DOCENTE: Mg. CCama Pari, Richard LIMA- PERÚ 2020

DEDICATORIA

[Fecha]

1

Este trabajo va dedicado a los estudiantes que, así como nosotros tienen el amor al conocimiento sobre la física y al profesor Richard Ccama Pari y a todos los docentes dedicados a la ciencia de la física quienes al impartirnos de sus conocimientos nos incentivan el constante afán de superación y formación profesional. Del mismo modo este trabajo está dedicado a todas las personas que dedican sus actividades a investigaciones al área de ciencias como lo es la física Por consiguiente, agradezco profundamente a todos los que los que honraron con gran sacrificio de tiempo y contribuyeron al enriquecimiento de este trabajo. Recalcando así la motivación, el esfuerzo y el tiempo de cada uno de nosotros los integrantes. Para finalizar queremos agradecer al profesor Mgr. Richard, Ccama Pari por su gran dedicación, paciencia y perseverancia para con cada uno de nosotros y por su gran labor la cual nos a permitido comprender de manera didáctica y comprensible el curso sembrando así en cada uno de nosotros el amor al conocimiento al curso de Física y la formación profesional para ser unos buenos ingenieros con el conocimiento impartido día a día. Por ello ya que cada uno de nosotros los estudiantes somos el futuro del mañana, podemos decir asi que los conocimientos que hemos adquirido engrandecen y enriquecen nuestro saber. Es por ello que tenemos el agrado de presentarles el siguiente trabajo.

INTRODUCCIÓN

El principio del funcionamiento de las montañas rusas se basa en la ley de la conservación de la energía: esta dice que la energía no se crea ni se destruye, sino que se transforma, es decir, la cantidad total de energía siempre se mantiene constante. En este caso, dichas energía son la energía cinética y energía potencial.

[Fecha]

2

En este trabajo de física llamado la montaña rusa está hecho con el fin de entender el movimiento y recorrido de la esfera en la montaña rusa donde podremos observar que la validez no solo se limita a los objetos de nuestro planeta sino también que su aplicabilidad puede extenderse en la comprensión de muchos fenómenos de nuestro sistema solar y el universo. Esto se logra y se explica a través de las tres leyes de Newton, las cuales permiten establecer cuantitativamente las relaciones entre las fuerzas que actúan sobre un cuerpo y los cambios en el movimiento debidos a dichas interacciones. Su eficacia se evidencia en la comprensión y explicación de la mayor parte de las situaciones cotidianas relacionadas con el movimiento de los cuerpos en nuestro entorno físico, Caminar, levantar un objeto, detener un balón, construir un edificio, son solo unas de las múltiples actividades que se pueden describir y explicar con dichos principios. La conservación de la energía, la energía mecánica total de un sistema es constante cuando actúan dentro del sistema solo fuerzas conservativas. Por otra parte, la energía mecánica se pierde cuando están presentes fuerzas no consecutivas, como la fricción. La energía puede transformarse de una forma en otra, pero la energía total de un sistema aislado siempre es constante. Desde un punto de vista universal, podemos decir que la energía total del universo es constante. Si una parte del universo gana energía en alguna forma, otra parte debe perder una cantidad igual de energía. No se ha encontrado ninguna violación a este principio.

Índice: Portada……………………………………………………………… 1 Dedicatoria………………………………………………………….. 2 Introducción………………………………………………………… 3 Índice………………………………………………………………… 4 Justificación…………………………………………………………. 5 [Fecha]

3

Objetivos…………………………………………………………….. 6 Objetivos generales y específicos…………………………………... 6 Fundamento Teórico………………………………………………... 7 Materiales…………………………………………………………… 24 Procedimiento………………………………………………………. 27 Calculo y Resultados ………………………………………………. 29 Situación Problemática…………………………………………….. 31 Conclusiones………………………………………………………… 33 Recomendaciones…………………………………………………… 33 Referencias……………………………………………………..…… 34 Anexo………………………………………………………………... 35

JUSTIFICACIÓN: Este tema es elegido porque queremos que nosotros como estudiantes de ingeniería podamos identificarnos desarrollando la habilidad de comprender y analizar los conceptos de masa, fuerza y velocidad con el objetivo de que aplique las tres leyes de Newton en nuestra vida diaria. Como estudiantes de las carreras profesionales de Ingeniería, es necesario que se tenga una herramienta que nos permita facilitar la enseñanza del docente y mejorar el proceso de enseñanza y aprendizaje. El motivo de este trabajo de investigación y aplicación es porque se ha detectado que existen muchas deficiencias en la lógica matemática (razonamiento, compresión, análisis y reflexión) de parte de nosotros como estudiantes lo que hace complicado el desarrollo, aplicación y solución de problemas reales en la clase. Es por esto que mediante una maqueta se quiere plasmar con el fin

[Fecha]

4

de dar a conocer una serie de experimentos y lograr justificar nuestros conocimientos básicos de una manera didáctica las tres leyes de Newton. Se incluirá una descripción general del problema a resolver o necesidad por atender. Se requiere de la descripción de los acontecimientos, hechos y causas relacionadas que dieron origen al problema a resolver y a la creación del proyecto. Se reportará información acerca del lugar en donde se presenta el problema, desde dónde se conoce. Además, debe contener los siguientes elementos: a. Descripción del proyecto. En este apartado se describirá el plan de trabajo propuesto que sirvió para llevar a cabo el proyecto, la enumeración de las etapas a seguir, su duración aproximada. b. Objetivos. Los objetivos del proyecto se refieren a las tareas planeadas por realizar, es decir, son los pasos necesarios que servirán para resolver el problema o atender la necesidad encontrada. c. Alcances y limitaciones. Tienen que ver con las posibilidades reales de llevar a cabo el y de atender la necesidad específica. Están relacionados con aspectos de tiempo, espacio, experiencia y presupuesto. Por tal motivo, el grupo ha visto conveniente realizar esta investigación:

OBJETIVOS: OBJETIVO GENERAL:

Comprender los principios y funciones de las tres leyes de Newton así mismo como la energía cinética y la energía potencial gravitatoria, realizando un modelo a escala de una montaña rusa para observar y reconocer que movimientos puede tener la esfera en el recorrido y por medio de cada tramo podamos mostrar la aplicación que esta cumple.

OBJETIVOS ESPECIFICOS: [Fecha]

5



Aplicar el principio de conservación de la energía en diversos puntos de la pista.



Determinar la energía cinética y la energía potencial gravitatoria de la esfera en diversos puntos de

la montaña rusa. 

Demostrar el diseño y aplicación de un software para demostrar el principio de conservación de la

energía mecánica.

LEY DE ACCIÓN Y REACCIÓN Acción y Reacción: La tercera ley de Newton nos ayudará a poder obtener los cálculos dinámicos de un sistema completo. Las fuerzas de acción y reacción entre cuerpos en contacto son de igual intensidad y colineales y tienen sentidos opuestos. Para hacer los cálculos dinámicos de todo el sistema, se parte del principio de recursividad, basándose en la tercera ley de newton: (Sass et al. (2007, p8)

La tercera ley de Newton se puede reflejar al ver como se mueve la gente al caminar ejerce una fuerza hacia atrás, el piso ejerce una fuerza de reacción sobre la profesora que provoca que acelere hacia adelante, o una nadadora que se empuja contra la pared con sus pies y se acelera a la dirección opuesta a la de su empujón. Y esto pasa porque las fuerzas iguales u opuestas, no se cancelan porque estas actúan en diferente sistema.

[Fecha]

6

Figura 1: Acción y Reacción

FUERZA, ESTUDIO DEL MOVIMIENTO: Fuerza, energía y movimiento: La fuerza que ejerce añadida la velocidad y su estudio son muy importantes aplicado y comprendido esto, fácil será que definamos la fuerza viva, que es uno de los dos elementos de que se compone la energía. Se llama fuerza viva de un punto material en un instante la mitad del producto de la masa de dicho punto por el cuadrado de su velocidad en este mismo instante. Y será la fuerza viva de un sistema cualquiera la suma de las fuerzas vivas de todos sus elementos. (Echegaray 1876, p9)

Así, pues, en la mecánica de los sistemas materiales, la fuerza viva no es lo que generalmente se llama fuerza, es decir, un peso, una tracción, un impulso, sino una cierta cantidad, al parecer artificiosa, en que entra como factor la masa y como doble factor la velocidad, producto importantísimo a que ha llegado la ciencia al profundizar el estudio del movimiento, y cuya razón de ser quizá en el

próximo

artículo

procuremos explicar.

[Fecha]

7

Figura 2: José Echegaray

PRINCIPIOS FISICOS IMPLICADOS EN EL FUNCIONAMIENTO DE LA MONTAÑA RUSA Conceptualización de fenómenos físicos, energía potencial influido en montaña rusa En el proceso funcional de toda montaña rusa se ven implicados diferentes fenómenos físicos, así como también propiedades, es por eso por lo que para una mayor explicación de estos sucesos es preciso definir Energía potencial, manifestando Maqueda que: Es la propiedad de un sistema y no de un cuerpo individual, solo depende de su configuración inicial y final, también depende de la trayectoria del viaje del cuerpo. Su valor es arbitrario y relativo a un punto de referencia. Se puede calcular multiplicando el peso del cuerpo por la distancia al punto de referencia. Tradicionalmente la energía potencial y la energía cinética son incluidas como energías mecánicas, ya que el total de las energías en sistemas gravitacionales es constante. (2008, p. 8)

La energía potencial es descrita como propiedad de un sistema, es por eso que se recalca la clasificación de esta energía como gravitatoria, electrostática, eléctrica, química, nuclear, manifestando su presencia en el trabajo realizado por las distintas fuerzas al trasladarse de una posición a otra del espacio. Es preciso señalar que cuando el tren se encuentra en su punto más alto de la montaña rusa se acumula la energía potencial.

Ep =mgh ∆ Ep=Epf −Epo W =∆ Ep [Fecha]

8

Figura 3: Formulas de la energía potencial gravitatoria

ENERGIA CINETICA Y MOVIMIENTOS QUE INFLUYEN EN MONTAÑA RUSA Energía cinética y circuitos, movimiento y reposo: Asimismo, el funcionamiento de estos circuitos se caracteriza por la presencia de la Energía cinética durante las caídas debido a la aceleración que experimenta, por ellos es preciso definir este término. Es así como Maqueda sostiene que: Es la forma de energía que un cuerpo o partícula tiene a causa del movimiento que experimenta. El movimiento puede ser de translación, rotación, vibración o una combinación de estos tres. Se puede calcular multiplicando la masa del cuerpo por el cuadrado de su velocidad dividida entre dos. (2008, p. 8).

Según el autor, podemos calcular su valor realizando algunas operaciones matemáticas. Además, cabe recalcar que esta energía es de vital importancia porque permite que un objeto pase del reposo al movimiento. Es así como en el caso de las montañas rusas sucede este fenómeno físico, puesto que al descender el vagón la energía potencial acumulada, se transforma en energía cinética. 1 2 Ec= ∗m∗v 2 Figura 4: Formula de la energía cinética

[Fecha]

9

ENERGÌA POTENCIAL Y CONSERVACIÒN DE LA ENERGÌA Energía Potencial gravitacional y conservación de la energía que influye en la montaña rusa En cualquier interacción, el cambio de energía cinética de una partícula es igual al trabajo total efectuado sobre la partícula por todas las fuerzas que actúan sobre ella. Por consiguiente, la energía mecánica total (cinética más potencial) es la misma en todos los puntos del movimiento, siempre que ninguna otra fuerza realice trabajo (la resistencia del aire debe ser insignificante) Si sólo la fuerza de gravedad efectúa trabajo, la energía mecánica total es constante. Asimismo: […] La energía asociada con la posición se llama energía potencial. Lo dicho sugiere que hay energía potencial asociada al peso de un cuerpo y a su altura sobre el suelo: la energía potencial gravitacional. Ahora tenemos dos formas de describir lo que sucede cuando un cuerpo cae sin resistencia del aire. Una forma consiste en decir que disminuye la energía potencial gravitacional y aumenta la energía cinética del cuerpo que cae. La otra forma, que vimos, es que aumenta la energía cinética de un cuerpo […]. Por consiguiente, una cantidad que siempre tiene el mismo valor es una cantidad que se conserva. Si sólo la fuerza de gravedad efectúa trabajo, la energía mecánica total es constante, es decir, se conserva. Asimismo, los cálculos realizados en el experimento pudieron comprobar que las fuerzas ejercidas tanto como la aceleración hallada son variables acordes a los tramos tomados en cuenta para el efecto del experimento. […] (Sears – Zemansky, 2008, pp.237)

Según el autor, el teorema trabajo-energía, ecuación nos indica que, el trabajo total efectuado sobre el cuerpo es igual al cambio en su energía cinética. Asimismo, si la gravedad es la única fuerza que actúa, la energía mecánica total y el peso del cuerpo es la única fuerza que realiza trabajo sobre el entonces es constante y tienen el mismo valor en todos los puntos durante el movimiento. Asimismo, una cantidad que siempre tiene el mismo valor es una cantidad que se conserva. Si sólo la fuerza de gravedad efectúa trabajo, la energía mecánica total es constante, es decir, se conserva.

[Fecha]

10

Figura 5: Conservación de la energía de forma grafica

Figura 6: Un vagón que se mueve sin fricción en una montaña rusa ilustra la conservación de la energía

Figura 7: La energía mecánica ejercida en la montaña rusa LA ENERGIA MECÁNICA Y SU ESTUDIO DE MOVIMIENTO [Fecha]

11

La energía mecánica detallada de forma conceptual La energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cada transformación.

El estudio del movimiento atendiendo a las causas que lo originan lo efectúa la dinámica como teoría física relacionando las fuerzas con las características del movimiento, tales como posición y velocidad. […]Es posible, no obstante, describir la condición de un cuerpo en movimiento introduciendo una nueva magnitud, la energía mecánica, e interpretar sus variaciones mediante el concepto de trabajo físico. Ambos conceptos surgieron históricamente en una etapa avanzada del desarrollo de la dinámica y permiten enfocar su estudio de una forma por lo general más simple. (San Martin, J 2017, p3).

Según el autor cuando se aplica una fuerza a un objeto, se acelera en dirección a la fuerza y proporcional a su intensidad y es inversamente proporcional a la masa que se mueve.

Figura 8:

Principio de conservación de la energía

MOVIMIENTO CIRCULAR, FUERZA CENTRIPETA Y LEY DE NEWTON EN LA MONTAÑA RUSA

[Fecha]

12

Fuerza centrípeta y movimiento circular: Se sabe que en las montañas rusas existes los Loops que describen un movimiento curvo donde actúan varias fuerzas sobre él, pero es necesario que la suma de todas ellas esté dirigida hacia el interior de la curva. […] el movimiento circular, aun el movimiento circular uniforme, es un movimiento acelerado. La aceleración centrípeta, describe el cambio en la dirección de la velocidad tangencial mientras que su rapidez se mantiene constante. Entonces, de acuerdo con la segunda ley de Newton, toda aceleración es producida por una fuerza, por lo que la aceleración centrípeta deberá ser ocasionada por una fuerza que recibe el nombre de fuerza centrípeta. (Barragán, 2006, p.58)

Es así como podemos comprender que, la velocidad de un objeto en una trayectoria circular cambia, ya que sufre un cambio constante en la dirección de su velocidad, y debido a que la velocidad cambia, existe una aceleración. Por lo que, basándose en la segunda ley de Newton, define que dicha aceleración se le conoce como fuerza centrípeta.

Figura 9:

Luis

Barragán

PRINCIPIO DE LA CONSERVACION DE LA ENERGIA Análisis de las energías que influyen en la montaña rusa: En relación con el funcionamiento de las montañas rusas y la ley de la conservación de la energía, está energía se transforma en la energía potencial y cinética. Asimismo, para el funcionamiento de esta se generan cambios de energía como lo son la energía potencial gravitacional, la energía cinética la cual se encarga del funcionamiento. [Fecha]

13

El principio de la ley de conservación de energía nos indica que no podemos crear ni destruir la energía, es decir, la energía se transforma. Asimismo, en estas transformaciones, la energía total permanece constante; la energía total es la misma que antes y después de cada transformación y si la cantidad de energía en un sistema varía, sólo puede deberse al hecho de que una cierta cantidad de energía ha cruzado los límites del sistema mediante algún tipo de mecanismo de transferencia. (Sears – Zemansky, 2008, pp.234)

Se llega a la conclusión de que la energía mecánica la consideramos constante, o sea que en la situación problemática no hay fuerzas que se opongan, como el roce, por ejemplo, la energía mecánica permanece constante, simplemente hay trasformaciones, pero la suma es siempre la misma.

∆ Emec=0 EcA + EpA = EcB + EpB

Figura 10: Formulas de la conservación de la energía mecánica

Figura 11 –

Nos muestra

como la

conservación de la energía

14

Figura 12 – Está figura muestra de forma gráfica como se conserva la energía en una Montaña rusa

ANÀLISIS DE COMO INFLUYE LA SIMULACION EN MECANISMO EN LA MONTAÑA RUSA Simulación en mecanismo y como esté influye en la montaña rusa: El avance de nuevas tecnologías ayudo a generar nuevos conocimientos en base a un sistema multicuerpo de un objeto en movimiento. Las simulaciones de sistemas mecánicos se han convertido en una herramienta muy importante para el desarrollo de nuevas tecnologías. En esta tesis se realizó una simulación de una montaña rusa a través del método de los sistemas multicuerpo. Un sistema multicuerpo es un conjunto de cuerpos rígidos unidos entre sí por medio de articulaciones que pueden permitir ya sea rotación y/o traslación entre estos. En esta tesis se puso énfasis en la construcción de un modelo de contacto válido entre la rueda y el riel de la montaña rusa, un ingrediente fundamental al momento de hacer simulaciones. Sass Laurent et al. (2007)

Asimismo, el sistema de multicuerpos es usando hoy en día en ecuacione...