Máquinas simples

Bienvenidos a la clase de Introducción a la Física 

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Las máquinas y el trabajo

Una máquina es un dispositivo que sirve para hacer más fácil una tarea. Sirve para ganar en fuerza o en comodidad.

Palanca

Los primeros artefactos que usó la humanidad fueron simples; quizá el más representativo de todos sea la palanca. Esta máquina está formada por una simple barra rígida con un punto de apoyo; la fuerza que se aplica (potencia) permite levantar un peso o vencer una resistencia (carga).

El principio de la palanca expresa que:

El producto de la potencia, o sea, la fuerza ejercida, por la distancia entre esta y el punto de apoyo es igual al producto de la carga por la distancia entre esta y el punto de apoyo.

ü Palancas de primer grado (género o clase): Son aquellas en las que el punto de apoyo está entre la fuerza aplicada y la fuerza resistente.

ü Palancas de segundo grado (género o clase): La fuerza resistente se aplica entre el punto de apoyo y la fuerza aplicada.

ü Palancas de tercer grado ( género o clase): La fuerza aplicada está entre el punto de apoyo y la fuerza resistente.

Actividad:

Calcular el valor de la fuerza que será necesario aplicar para vencer la resistencia R de 2000N que se encuentra ubicada a 1m del punto para una palanca de primer género.

a)     Cuando la fuerza es aplicada a 0,5 m del punto de apoyo.

b)    Cuando la fuerza es aplicada a 2m del punto de apoyo.

c)     ¿Se trata en ambos casos de una palanca con ventaja mecánica? ¿por qué?

Plano inclinado

Las leyes de la física determinan que, para elevar un objeto a una cierta altura, hay que realizar un trabajo (que depende del peso del objeto y de la altura). Una de las primeras aplicaciones que desarrolló el hombre para resolver esta cuestión fue el plano inclinado.

La rampa del plano inclinado facilita la operación: si bien aumenta la distancia que se recorre, disminuye el esfuerzo que se realiza.

La ley de máquinas simples para plano inclinado es:

F . l = P . h

Siendo F la fuerza que debemos realizar para subir el peso, l la longitud del plano inclinado, P el peso del cuerpo que pretendemos subir y h la altura a donde queremos subir el cuerpo.

Actividad:

Para salvar la altura de una escalera de 30 cm utilizamos una tabla a modo de rampa. ¿Qué fuerza habrá que hacer para subir una carretilla con 40 kg de masa si el tablón tiene una longitud de metro y medio?

Polea

La polea simple transforma el sentido de la fuerza: aplicando una fuerza descendente se consigue una fuerza ascendente. Se trata de una rueda, generalmente maciza y con una ranura en su borde, por el que pasa una cuerda (o cable, o cadena) que se usa para cambiar la dirección del movimiento. La polea evolucionó, primero, a sistemas de poleas (aparejos), hasta llegar a las grúas.

Actividad:

Se tiene un mecanismo con tres poleas de las cuales 1 es fija y las otras 2 son móviles. Se coloca un cuerpo de 1000 kg como indica la figura. ¿Cuál es la fuerza que tiene que realizar el hombre para subir la carga?

Trabajo práctico de Máquinas Simples

1)    Una carreta de masa despreciable mide 1 m de largo y está cargando unos libros cuya masa es de 20 kg. ¿Cuál es la distancia que hay entre el punto de apoyo y la carga, si la fuerza aplicada sobre el estudiante es de 100 N?

2)    Un cuerpo de 20 kg se levanta mediante un aparejo potencial de 3 poleas móviles. ¿Cuál es el valor de la potencia?

3)    Se desea subir un objeto de 3000 N de peso hasta una altura de 1 metro sobre el suelo. Diseña un plano inclinado de manera que no se tenga que aplicar una fuerza superior a 500 N para moverlo.

4)    Una barra de 2 m actúa como palanca de 1º género. Si queremos mover una piedra de 150 kg situando el punto de apoyo a 50 cm de la piedra ¿qué fuerza deberemos utilizar?

5)    Una carreta mide 160 cm. Si colocamos un saco de cemento de 50 kg a 40 cm de la rueda, ¿qué fuerza deberemos hacer para moverlo?

6)    Queremos subir un barril de 150 kg a la caja de un camión, que tiene 120 cm de altura, utilizando unos listones como rampa. ¿Qué longitud deben tener los listones para hacer una fuerza de 50 kg?

7)    Para partir la nuez del dibujo hay que aplicarle una fuerza de 588 N. Calcular la fuerza que hay que realizar con la mano para partir la nuez.

1)    Calcular la fuerza que tiene que realizar el brazo sobre el punto medio del mango de la pala para levantar la tierra situada en la cuchara que pesa 8 kg.

Trabajo integrador 1° trimestre

Hola chicos, como les había comentado la clase anterior les dejo a continuación el trabajo integrador de fin del trimestre. En la clase online del 12 de junio estuvimos trabajando con estas actividades.

Si tienen dudas me las hacen llegar a mi mail o como un comentario dentro del blog.

Recuerden que deben enviarme también a mi mail antes del miércoles las banderas que confeccionaron en familia para el acto del 20 de junio.

Fecha de entrega: del 12/06 al 19/06

Trabajo práctico integrador

Una familia decide dar un paseo en un globo aerostático. Cuando llegan a una cierta altura, dejan caer del globo una bolsa de lastre para poder alcanzar una mayor altitud (Considerar que el globo está quieto en el instante que lanza el lastre, y se desprecia la fricción con el aire). Teniendo en cuenta el gráfico de energía en función del tiempo que está a continuación realice las siguientes actividades:

1)    ¿Cuáles son las variables y en que magnitud de las vistas están expresadas?

2)    ¿Qué representa la curva celeste?

3)    ¿Qué representa la curva naranja?

4)    ¿Cuánto tiempo tarda en llegar al suelo la bolsa?

5)    ¿Cuál es su velocidad en t=0?

6)    ¿Cuál es su energía mecánica a los 4 segundos?

7)    Sobre el mismo gráfico grafique la energía mecánica.

8)    Complete la siguiente tabla teniendo en cuenta el gráfico dado:

Tiempo (seg)	E. Cinética	E. Potencial
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

9)    ¿Con qué velocidad llega la bolsa a tierra?

10)¿Desde qué altura fue lanzada la bolsa?

11) ¿Cuál es la masa de la bolsa?

12) ¿Cuál es el peso de la bolsa?

13) ¿Cuál es el trabajo realizado por la bolsa al llegar al suelo?

14)¿Con qué potencia llegó a tierra?

15)Realice el gráfico de velocidad en función del tiempo del recorrido de la bolsa.

Trabajo y Energía

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Video de la clase del 5 de Junio

Video de la clase del 29 de Mayo

La energía busca trabajo

Una de las formas de transferir energía es mediante el trabajo. Lo que ocurre es que la palabra trabajo tiene un significado muy amplio en la vida cotidiana y bastante preciso en física, de manera que debemos acordar a qué llamamos trabajo.

El concepto que tiene la física es diferente al usado en forma habitual: se realiza un trabajo cuando una fuerza mueve un objeto y lo desplaza. Esta noción científica no coincide con la idea de trabajo que tiene el gerente de un banco o el capataz de una obra de construcción, pero es la que vale en física.

Para que se realice una transferencia de energía en forma de trabajo entre dos sistemas, debe existir una interacción entre ambos, es decir, debe existir una fuerza y un desplazamiento asociado a esta.

En física nos referimos a trabajo como a una de las maneras de intercambio (transferencia) de energía entre sistemas o entre el sistema y su entorno, que involucra una transformación de la materia a través de interacciones.

Realice en su carpeta la actividad de la página 30 y además, las actividades 2 y 4 de la página 33.

TRABAJO Y ENERGÍA CINÉTICA

Existe una importante relación entre el trabajo neto realizado sobre un cuerpo o sistema y la velocidad de este en las posiciones inicial y final.

Recordemos que:

Una fuerza constante F, aplicada sobre una masa m, provoca un cambio en su velocidad, descripto por la aceleración a, que es también constante. Escrito como fórmula, resulta:

F = m . a

La aceleración describe cómo cambia la velocidad respecto del tiempo y puede expresarse como

la diferencia entre la velocidad final Vf y la inicial Vi, divididas por el tiempo t:

a = (Vf-Vi)/t ; de donde t = (Vf-Vi)/a

Como el desplazamiento es d = Vm.t y Vm = (Vf+Vi)/2, al reemplazar t y Vm, resulta que:

Sabiendo que el trabajo es W = F . d

Donde la fuerza F puede reemplazarse por m.a; de donde resulta que:

W = m . a . d

Si reemplazamos a según ecuación (1), nos queda:

Distribuyendo, resulta que:

El trabajo realizado sobre un cuerpo o sistema es igual a la variación de energía cinética de este.

TRABAJO Y ENERGÍA GRAVITATORIA

El trabajo mecánico necesario para elevar un cuerpo a una cierta altura h va a ser igual a la cantidad de energía potencial que almacena el cuerpo al alcanzar dicha altura.

Un cuerpo de masa m dentro de un campo gravitatorio g tiene un cierto peso P, de forma tal que:

P = m.g

Si subimos el cuerpo hasta una altura h, haremos un trabajo que se almacenará como energía potencial gravitatoria:

En donde hf es la altura final del cuerpo y hi es su altura inicial. Una variación de altura produce un

cambio en la energía potencial gravitatoria:

Δh → Δ Ep

Si, por ejemplo, tomamos un libro, cuya masa es de 0,5 kg y, desde el piso, lo colocamos en un

estante ubicado a 2 m sobre el suelo, nuestro libro tendrá ahora una energía potencial dada por:

Ep = m.g.h = 0,5 kg x 9,8 m/s² x 2m = 9,8 julios

Esta energía potencial representará el trabajo que hicimos para subir el libro.

MANTENIENDO LA ENERGÍA: EL INTERCAMBIO ENTRE ENERGÍA

CINÉTICA Y POTENCIAL

El principio de conservación de la energía es uno de los principios básicos de la física y sostiene

que, si un subsistema ha perdido energía, es otro u otros subsistemas los que han ganado la misma

cantidad, de forma que la cantidad total de energía permanece invariable.

Imaginemos un vagón de montaña rusa en dos puntos diferentes de su trayecto: 1 y 2.

La energía mecánica total de un cuerpo es la suma de su energía cinética y su energía potencial.

La energía mecánica en el punto 1 valdrá:

EM1 = m.g.h1 + ½.m.v1

En el punto 2 será:

EM2 = m.g.h2 + ½.m.v2

Si no hay rozamiento, se verifica que la energía total se mantiene:

Los invito a desarrollar estos conceptos con un simulador que encontrarán en el siguiente enlace:

https://phet.colorado.edu/sims/html/energy-skate-park-basics/latest/energy-skate-park-basics_es.html

Trabajo Práctico Energía Cinética, Potencial y Mecánica

1. Un adulto de 70 kg camina a una rapidez de 1,3 m/s.

a. ¿Cuál es su energía cinética?

b. ¿Cuál sería su rapidez si su energía cinética se duplicara?

2. Un cuerpo que se desplaza horizontalmente tiene una energía

cinética de 100 J. Si su masa es de 12 kg, ¿cuál es su rapidez?

3. ¿Cuál es la masa de un cuerpo que se desplaza a 5 m/s si su energía cinética es de 300 J?

4. Un automóvil cuya masa es de 1000 kg se desplaza con una rapidez de 15 m/s.

¿Cuál es su energía cinética?

5. Un cuerpo de masa m se desplaza con una rapidez v. ¿Qué ocurre con su energía

cinética si se duplica su rapidez?

6. ¿Cuál es el valor del trabajo mecánico necesario para acelerar un automóvil de 1000 kg desde el reposo hasta 25 m/s?

7. ¿Cuánto trabajo es necesario realizar para frenar el auto del problema anterior si se desplaza a

una rapidez de 80 km/h?

8. Un cuerpo de 2 kg, inicialmente en reposo, se desplaza bajo la acción de una fuerza que realiza un trabajo de 9 J. ¿Cuál es el valor de la velocidad final de dicho cuerpo?

9. ¿Cuál es la energía potencial gravitatoria que posee un cuerpo de 3 kg si se encuentra a 10 m sobre el

suelo terrestre?

10. Un astronauta toma una roca de 5 kg y la levanta hasta una altura de 1 m. Si el trabajo requerido para ello es de18,55 J, ¿en qué planeta se encuentra? ¿Por qué?

11. ¿Cuál es la energía mecánica que posee un atleta durante un salto en largo, en el instante en el que su centro de masa se encuentra a 1,50 m de altura y su rapidez es de 5 m/s?

12. ¿Cuál es la energía mecánica de una pelota de 500 g lanzada verticalmente hacia arriba, cuando alcanza una altura máxima de 6 m?

13. Una maceta mal ubicada sobre la baranda de un balcón cae desde una altura de 9 m hasta la vereda. Despreciando el rozamiento con el aire, ¿con qué rapidez llega al suelo? ¿Es necesario conocer el valor de la masa de la maceta? ¿Por qué?

14. ¿Cuál es la altura que puede alcanzar un atleta que realiza un salto con garrocha si su rapidez de

despegue es de 8 m/s?

15. ¿Con qué rapidez llegará un objeto al suelo si se lo deja caer desde una altura de 5 m?

16. ¿Desde qué altura se dejó caer un objeto si llegó al suelo con una rapidez de 7 m/s?