mecanica-clasica

Vista previa del material en texto

DISEÑO CURRICULAR 
 
Institución: IESSMa 
 
 
Carrera: Profesorado en Física 
 
Cátedra: Mecánica Clásica 
 
Curso: 3er Año 
 
Modalidad: Anual 
 
Carga Horaria: Nueve Horas 
Cátedras 
Año Lectivo: 2012 
 
Profesor: Reginaldo Saúl Paz 
 
Fundamentación 
Las exigencias y las responsabilidades inherentes al profesorado en 
física requieren un nivel elevado de la actividad creadora, la cual, a 
su vez, precisa del soporte de una buena capacidad analítica. La 
mecánica clásica constituye una de las piedras angulares de dicha 
capacidad la cual se orienta hacia un fundamento que reafirma la 
importancia de los principales conceptos físicos. 
El estudiante de física de hoy se convierte en el profesional de 
mañana que deberá, a través del ejercicio de su imaginación creadora 
y de su conocimiento profesional, combinar satisfactoriamente la 
teoría y la práctica para entender el funcionamiento de estructuras, 
máquinas. dispositivos y procesos que beneficien a la Escuela y la 
sociedad. 
Este proceso de creatividad depende de la capacidad para visualizar 
configuraciones nuevas, mediante materiales, procesos y leyes que 
rijan a estos. Esperando se encuentre interés y estímulo en los 
distintos contenidos teóricos y prácticos que se plantean con el fin de 
proporcionar aplicaciones importantes y reales. 
El fin de la Mecánica clásica es producida a través del cálculo el 
comportamiento de los componentes y sistemas en los que 
intervienen fuerza y movimiento, para lo cual es de gran importancia 
el conocimiento físico y el razonamiento matemático. 
 
 
 
 
 
 
 
 Estrategias de Enseñanza y Aprendizaje 
 
-Empleo del método del interrogatorio y el método de la lectura a 
través de los cuales se plantearan situaciones problemáticas que 
involucren conceptos previos y conceptos a ser aprendidos, cuya 
solución sea obtenida a través de técnicas grupales e individuales. 
 
-Mediante el método del estudio dirigido se trabajará con distintos 
recursos materiales. 
 
-Se promoverá el conocimiento mediante la técnica expositiva 
Se promoverá en los alumnos la construcción de modelos físicos 
aplicados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Marcos Teóricos 
La utilización de la piedra, de los huesos y luego el conocimiento y la 
manipulación de los metales, la producción de telas y de cerámica, la 
construcción de viviendas o de artefactos para la caza y la guerra (todas 
actividades de carácter práctico) implicaron el desarrollo de conocimientos 
empíricos y de representaciones acerca de ciertas regularidades en los 
fenómenos naturales. 
Por confusas y fantásticas que parezcan esas representaciones, en ellas se 
sitúan las primeras ideas acerca de la noción de la ley de la naturaleza, de 
los conceptos de espacio, de tiempo y de movimiento, si bien en un 
principio se las trató bajo la forma de mitos y narraciones. esto no deja de 
ser importante, pues a partir de allí comenzaron a insinuarse los primeros 
conocimientos astronómicos, matemáticos y de diversas ciencias naturales. 
Si bien los conocimientos racionales de los antiguos producto de la 
experiencia práctica, estaban ligados a representaciones mágicas; los 
conocimientos posteriores que darían como resultado el nacimiento de la 
mecánica, implicaron la reelaboración de esas primeras representaciones y 
su reemplazo por otras que permitieron explicar y predecir mejor los 
fenómenos. 
Desde esa perspectiva las explicaciones físicas imperfectas, incluso las 
erróneas que se sostuvieron durante siglos, cobran sentido como 
características singulares del pensamiento científico. 
La Mecánica, considerada la ciencia física que estudia el estado de reposo o 
movimiento de los cuerpos bajo la acción de fuerzas, se establece como el 
marco de conocimientos que juega el papel más importante en los estudios 
y aplicación de la ingeniería humana. 
Considerada como la más antigua de las ciencias físicas, se la empieza a 
estructurar a partir de Aristóteles (384-322 a.c.) quien enseñaba filosofía en 
la Grecia antigua, y al que se le deben escritos como el de la continuidad de 
la materia donde se sostenía que en la naturaleza no se podía aceptar 
ningún yació, teorías con un grado de razonamiento lógico muy elevado y 
sin duda propias de una mente genial. 
Pero el razonamiento lógico no bastaba, hacia falta la observación. 
Arquímedes (287-2 12 a.C.) descubrió mientras se bañaba la ley de empuje 
que un fluido imprime a un sólido, manipuló también los principios de la 
palanca y estructuró las máquinas simples dando origen así a las primeras 
páginas de la física que orientaron el pensamiento durante la edad media y 
buena parte de la moderna pasando por Leonardo de Vinci (1452-1519) y 
llegando a Galileo Galilei (1564-1642) quien teorizó sobre el péndulo y el 
movimiento oscilatorio al ver el vaivén de una lámpara en la catedral de 
Pisa. Pero no fue hasta 1665 donde Isaac Newton (1642-1727) elabora 
prácticamente todas las ideas que forman a la física moderna. Entre ellas se 
destacan tres principios que hoy se conocen como leyes fundamentales o 
principios clásicos de la Mecánica: el de inercia, el de masa y el de acción 
y reacción. 
Introdujo una nueva noción de fuerza al igual que la descripción del 
movimiento de un cuerpo e incluso la acción opuesta al movimiento que se 
conoce como fuerza de rozamiento. 
Pero no fue hasta 1687 donde la Mecánica Clásica se consolida con la 
aparición de la obra máxima de Isaac Newton ‘Principios matemáticos de 
la Filosofía Natural”, libro en el que el sabio inglés presento la célebre ley 
de la Gravitación Universal, con la que consigue explicar tanto los 
fenómenos terrestres (es decir, los que se observan en nuestro planeta) 
como los celestes (es decir los fenómenos que involucran a los astros). 
Casi en esa misma época el investigador Francés Pierre Varignon (1654-
1722) sintetiza los principios de la estática que caracterizan el estado de 
equilibrio en función de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo de esta 
forma surge un proceso que permite un análisis más analítico del centro de 
gravedad de aquellos dispositivos de tanta utilidad llamados máquinas 
simples. 
Si bien Galileo ya había logrado establecer una relación entre velocidad y 
tiempo conocida actualmente como movimiento uniformemente variado, 
no bastaba aún para descubrir otros tipos de movimientos como el circular 
o el curvilíneo. La cinemática dada como aquella disciplina de la Mecánica 
que se ocupa de estudiar el movimiento de los cuerpos empleando la 
matemática como herramienta de descripción se constituye corno una 
extensión de los conceptos de Galileo hacia el movimiento circular, 
planteado no como el simple movimiento de una partícula sino como el de 
un cuerpo rígido que no solamente experimenta una traslación, sino 
también una rotación, de esta forma se ilustra el concepto de velocidad y 
aceleración angular, momentos de inercia y un gran número de relaciones 
energéticas que utilizan el lenguaje de la cinemática y la dinámica en su 
descripción. 
La energía permite calcular la capacidad de producir trabajo y supone la 
interacción entre cuerpos. Aunque los conceptos de trabajo y energía 
definidos a partir de las leyes de Newton del movimiento describen 
claramente los manejos energéticos, se puede deducir que un cuerpo por si 
solo no posee energía cinética o a lo sumo ésta pertenece a dos cuerpos, 
uno de los cuales se mueve de alguna manera respecto del otro. 
Esta relación lleva a estudiar los conceptos de impulso y momento lineal, y 
a partir de ello el fenómeno de choques (elásticos e inelásticos) entre 
cuerpos, que en gran parte, fue estudiado por el físico inglés Jones Joule 
(1818-1889) quien fue el primero que logró medir el equivalente mecánico 
del calor, es decir el proceso que transforma el trabajo en calor. 
Se sabe que la idealización de un modelo a partirde un cuerpo rígido 
permitió el desarrollo de importantes procesos mecánicos pero hay que 
considerar la posibilidad de que no siempre esto es correcto. Los materiales 
reales siempre seden algo a la influencia de fuerzas aplicadas; por eso es 
necesario desarrollar aspectos que describen la relación entre las 
deformaciones de materiales reales y las fuerzas que producen estas 
deformaciones. 
En definitiva, el cambio de forma o volumen de un cuerpo cuando sobre él 
actúan fuerzas externas está determinado por las fuerzas que se originan 
entre sus moléculas. La teoría molecular no esta en la actualidad 
suficientemente desarrollada para permitir calcular por ejemplo las 
propiedades elásticas de un bloque de cobre a partir de las propiedades de 
un átomo de este metal. Sin embargo, el estudio del estado sólido es un 
tema de interés en muchos laboratorios de investigación, y nuestros 
conocimientos sobre él aumentan día a día. Es por ello que el estudio de los 
esfuerzos está limitado a cantidades que pueden medirse directamente, sin 
intentar una explicación molecular detallada del comportamiento 
observado; la deformación, la elasticidad y plasticidad, constituyen 
justamente el objetivo de ese estudio directo. A partir de lo cual se 
establece una profundización de la ley de Hooke para resortes, haciendo un 
análisis más detallado de las constantes de recuperación al igual que se 
definen los módulos de elasticidad, todo ello a fin de establecer un mejor 
estudio de las compresiones y tensiones que actúan sobre la materia. 
Si bien hasta el momento se ha estudiado con detalle el movimiento de un 
cuerpo sometido a una fuerza constante, considerado este uniformemente 
acelerado y a partir del cual se deducen formulas para determinar una 
posición y velocidad, vale la pena extender estos principios a la situación 
en la cual la fuerza que actúa sobre un sistema no es constante. 
Un ejemplo conocido es el péndulo, considerado como una masa 
suspendida, que oscila de un lado a otro de forma regular y repetitiva. 
Galileo ya había iniciado el estudio de este tipo de movimiento; se dice que 
utilizaba el latido de su propio corazón para medir el tiempo en sus 
observaciones. Este análisis considerado por aquella época quizás de poca 
importancia, fue lo que permitió posteriormente abrir las puertas al estudio 
de lo que hoy en día se denomina movimiento oscilatorio o periódico, el 
cual permite describir una inmensidad de aspectos relacionados con la 
Mecánica como ser las fuerzas restauradoras elásticas, los pistones de un 
motor a explosión, las cuerdas de un instrumento musical, las moléculas de 
un cuerpo sólido, etc. 
Además se pueden definir las ecuaciones del movimiento armónico simple 
y angular; sin dejar a un lado la consideración de que estas relaciones 
constituyen a la vez los soportes en la descripción de las diferentes clases 
de movimiento ondulatorio. E aquí la definición de onda constituida como 
otra forma de trasmitir la energía, donde su estudio físico y matemático 
permite entender como funcionan múltiples productos tecnológicos 
utilizados en la vida cotidiana. 
Fueron muchos los que se dedicaron al estudio de este campo, entre los 
más destacados citamos al físico holandés Christian Huygens (1629- 1695), 
quien propuso un modelo ondulatorio para explicar como se propaga una 
onda de luz, Maxwell en 1873 anticipó la existencia de las ondas 
electromagnéticas, que permitieron a Guillermo Marconi (1874-1937) 
enviar en 1899 el primer mensaje a través del océano. De hecho el 
concepto de onda es uno de los elementos unificadores más importantes de 
toda la física. 
Un caso particular de ondas cuyo estudio marca quizás una de las formas 
destacadas en la comunicación entre los seres vivos son las que se 
producen a través del sonido. La emisión, la propagación y la recepción del 
sonido constituyen un caso particular del transporte de energía en forma 
ondulatoria. La peculariedad de este tipo de energía reside en que pude ser 
detectada por el ser humano. 
Uno de los físicos mas destacado en este campo fue Christian Doppler 
(1803-1853), quien estudiando las modificaciones que se producen en el 
sonido llegó a explicar las variaciones, experimentadas por la recepción de 
la frecuencia, de una onda cuando el emisor o el receptor se mueven (efecto 
Doppler). 
La importancia de los principios de la acústica no se limita exclusivamente 
al sonido y a la audición. El análisis de los niveles de intensidad y 
sonoridad, timbres, tonos, pulsaciones y por supuesto del efecto Doppler, 
definen a las ondas mecánicas como un instrumento de investigación en 
una gran variedad de campos. 
Los sistemas de sonar utilizan las reflexiones de las ondas sonoras en el 
agua para determinar la posición y movimiento de cuerpos. 
El análisis de las ondas elásticas en la tierra proporciona información 
importante acerca de su estructura ya que las explosiones y terremotos se 
reflejan y refractan en las zonas de separación de capas, y su análisis 
permite determinar parcialmente las dimensiones y propiedades de las 
mismas. 
Algunas aplicaciones recientes más interesantes de la acústica 
corresponden al campo de la medicina, donde las ondas sonoras se utilizan 
tanto en diagnosis como en terapia. En diagnosis se utilizan las ondas 
ultrasónicas que permiten detectar tumores, infecciones cardiacas. etc; y a 
mayor potencia (terapia) los ultrasonidos parecen ser prometedores corno 
destructores selectivos de tejido patológico. 
Las aplicaciones de los principios acústicos a problemas del medio 
ambiente son evidentes. En la actualidad se da por cierto que el ruido es un 
aspecto importante de la degradación del medio ambiente. Por ejemplo, el 
diseño de vehículos de transporte silencioso implica un estudio detallado de 
la generación y propagación del sonido en los motores, ruedas y chasis. 
 
Competencias y/u Objetivos 
-Reconocer los principios de la mecánica teniendo en cuenta su 
importancia en el desarrollo científico tecnológico del último siglo. 
 
-Asociar los principios y leyes de la mecánica al funcionamiento de 
mecanismos simples o complejos. 
 
-Adquirir capacidades en el manejo de instrumentos y herramientas en la 
adecuada selección de materiales para construir experiencias. 
 
-Adquirir destreza para la elaboración y puesta en práctica de proyectos que 
contemplen la construcción de dispositivos tecnológicos de cierto grado de 
complejidad vinculados a la ciencia en general. 
 
-Juzgar la validez de razonamientos y resultados. 
 
Utilización de vocabulario y notaciones científicas adecuadas para una 
correcta comunicación. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contenidos Conceptuales 
Unidad Temática I: Principios de Estática 
 
Mecánica: Definición. Conceptos fundamentales. Escalares y Vectores. 
Leyes Newton. Sistemas de Fuerza. Fuerza. Ley de la gravitación. 
Equilibrio. Razonamiento. Las maquinas simples. Modelos ideales. 
Momento de fuerza. Segunda condición de equilibrio. 
 
Unidad Temática II: Impulso y momento lineal. 
Impulso y momento lineal. Conservación del momento lineal. Choques. 
Choques inelásticos. Choques elásticos. Retroceso. Centro de masa. 
 
Unidad Temática II: Cinemática y Rotación 
Movimiento. Velocidad media. Velocidad instantánea. Aceleración media e 
instantánea. Obtención de la velocidad y de la coordenada por integración. 
Velocidad relativa. 
Velocidad angular. Aceleración angular. Rotación con aceleración angular 
constante. Relación entre velocidades y aceleraciones angulares y lineales. 
Energía cinética de rotación. Momento de inercia. Cálculos de momentos 
de inercia. Trabajo y potencia en el movimiento de rotación. Momento y 
aceleración angular. Rotación alrededor de un eje móvil. Momento angular 
e impulso angular, conservación del momento angular. 
 
 
Unidad Temática IV: Elasticidad 
Esfuerzo. Deformación. Elasticidady plasticidad. Módulos de elasticidad. 
Constante de recuperación. 
 
Unidad Temática V: Movimiento periódico 
Introducción. Fuerzas. Restauradoras elásticas. Conceptos fundamentales. 
Ecuaciones del movimiento armónico simple. Circulo de referencia. 
Movimiento de un cuerpo suspendido de un resorte helicoidal. Movimiento 
armónico angular. Péndulo simple. Péndulo físico. 
 
Unidad Temática VI: Ondas Mecánicas y Fenómenos Acústicos 
Introducción. Ondas periódicas. Descripción matemática de una onda. 
Cálculo de una velocidad de una onda transversal. Velocidad de una onda 
longitudinal. Carácter adiabático de una onda longitudinal. Ondas en el 
agua. 
Ondas sonoras. Intensidad. Nivel de intensidad y sonoridad.. Pulsaciones. 
El efecto Doppler. Aplicaciones de los fenómenos acústicos. 
 
 
Contenidos Procedimentales 
- Aplicación de los principales conceptos, leyes, teorías y métodos más 
importantes y generales de la mecánica orientados al estudio de la estática. 
- Búsqueda, selección, categorización y registro de información que 
permita una interpretación y relación entre las leyes de Newton y un 
análisis de la cinemática y rotación. 
-Lectura, asimilación e interpretación de la información relacionada con los 
procesos energéticos que definen el impulso y el momento lineal además de 
un análisis de los mismos en diferentes niveles. 
- Diseño de investigación, categorización de las principales variables 
involucradas, en la elasticidad, que permitan formular métodos de pruebas 
para las hipótesis, comparando e identificando distintas alternativas 
experimentales. 
- Desarrollo de procedimientos experimentales de diferentes movimientos 
periódicos, que permitan un análisis e interpretación en el marco de las 
teorías y los resultados preexistentes. 
- Obtención y procesamiento de datos relacionados con el manejo de 
técnicas y conceptos que definan a las ondas mecánicas y fenómenos 
acústicos; y su importancia en la enseñanza de la mecánica clásica 
considerando los avances científicos de los últimos tiempos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Contenidos Actitudinales 
- Confianza en las posibilidades al plantear y resolver problemas. 
 
- Disciplina, esfuerzo y perseverancia en la búsqueda de resultados. 
 
- Valoración del intercambio de ideas como fuente del aprendizaje. 
 
- Valoración de la mecánica corno construcción humana. 
 
- Respeto por el pensamiento ajeno. 
 
- Sentido crítico sobre los resultados obtenidos en la resolución de 
problemas. 
 
- Curiosidad, apertura y duda como base del conocimiento científico. 
 
- Valoración del lenguaje claro y preciso como expresión y organización 
del pensamiento. 
 
- Interés por el uso del razonamiento intuitivo, lógico y la imaginación para 
plantear y resolver problemas y cálculos. 
 
 
 
 
 
 
 
EVALUACIÓN 
Los alumnos para poder aprobar la materia deberán: 
 Cumplimiento con el porcentaje de asistencia establecida en el 
reglamento del I.E.S. 
 Aprobar el 100% de los trabajos prácticos para poder pasar luego a 
rendir los parciales. 
 Rendir un mínimo de 2 (dos) exámenes parciales, pudiendo recuperar 
sólo el 50% de los mismos. En ellos se va a evaluar práctica (ejercicios de 
aplicación). Estos exámenes serán individuales y con fecha a convenir 
oportunamente. 
 Se establece la posibilidad de elegir la promoción de la materia, para lo 
cual deberán cumplir en forma rigurosa las pautas anteriores, donde los 
exámenes parciales no deberán tener una nota inferior a 7 (siete). 
 En caso de no elegirse o lograrse la promoción se deberá rendir la 
materia como alumno regular con un examen final el cual será oral y 
teórico; y expuesto ante un tribunal de profesores. 
 Si no se logra la regularidad de la materia se deberá rendir como 
alumno libre con presentación de un trabajo escrito a elección del 
estudiante y quince días antes del eximen final (práctico – escrito y oral - 
teórico). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
BIBLIOGRAFÍA 
 Castiglioni Roberto E., Pedrazzo Oscar A., Rela Alejandro, Física II 
Editorial Troquel. 
 
 Sears Francis W., Zemansky Mark W., Youn Hugh D., Fïsica 
Universitaria, Sexta Edición en Españoil. Fondo Educativo Interamericano. 
 
 Schaum Daniel, Teoría y Problemas de la Física General 7 Edición. 
Editorial Mc. Graw – Hill. 
 
 Federico J. Beuche, Ph D. , Física General , Novena Edición. 
Editorial Mc. Graw – Hill 
 
 Meriam J., L. Estatica, Segunda Edición, Editorial Reverté S.A. 
 
 Eugene Hecht, Física I Algebra y Trigonometría 2º Edición, Editorial 
Thomson. 
 
 Liliana Reinoso, Física, Editorial Plus Ultra 
 
 Frederick J. Bueche, Fisica General 9º Edición, Editorial Mc. Graw 
– Hill. 
 
 Revista de Enseñanza de la Física, Asociación de profesores de 
Física de la Argentina