Contextualización

Introducción Teórica

La física se encarga de explorar y comprender los fenómenos del mundo que nos rodea. Aquí, dirigiremos nuestra atención hacia el análisis del movimiento, más específicamente, el movimiento curvilíneo. Cuando un objeto se desplaza en una trayectoria curva, está sujeto a fuerzas que actúan sobre él y causan variaciones en su velocidad o dirección. La fuerza responsable de mantener un objeto en movimiento en una trayectoria curva se conoce como fuerza centrípeta.

La fuerza centrípeta es una fuerza que actúa siempre perpendicularmente a la dirección del movimiento y apunta hacia el centro del círculo. Esta fuerza es el resultado de las interacciones entre objetos en movimiento y su entorno, pudiendo ser debido a la gravedad, la tensión, el rozamiento, entre otros. La cantidad de fuerza centrípeta necesaria para mantener un objeto en movimiento curvilíneo es proporcional a la masa del objeto, a la velocidad del objeto e inversamente proporcional al radio de la curva.

El concepto de movimiento curvilíneo está acompañado de otros relevantes como la aceleración centrípeta (o radial), que es la aceleración de un objeto en movimiento a lo largo de una trayectoria curvilínea que siempre está dirigida hacia el centro de la curva, y la velocidad angular, que es una medida de qué tan rápido se desplaza un objeto alrededor de una trayectoria circular.

Contextualización

Entender y calcular las fuerzas en movimientos curvilíneos es una habilidad vital en muchos campos de la ciencia y la ingeniería. En biomecánica, por ejemplo, los científicos utilizan estos conceptos para comprender mejor cómo se mueven los seres humanos y los animales. De igual manera, los ingenieros emplean estos principios para diseñar vehículos, aeronaves y otros sistemas que se desplazan en trayectorias curvas.

Además, el concepto de fuerzas en movimientos curvilíneos se aplica ampliamente en campos como la astrofísica y la geociencia. Los planetas en nuestro sistema solar, por ejemplo, se desplazan en trayectorias curvas alrededor del sol debido a la fuerza gravitacional. Por lo tanto, comprender estas fuerzas es crucial para hacer predicciones precisas sobre el movimiento de los cuerpos celestes. Además, sabemos que la Tierra gira alrededor de su propio eje, un ejemplo de movimiento curvilíneo, y comprender esta rotación es importante para fenómenos naturales como el ciclo día-noche y las estaciones del año.

Para iniciar nuestro estudio, aquí hay algunos recursos confiables para consultar:

• Brasil Escuela: ¿Qué es el movimiento circular
• Sólo Física: Movimiento Circular
• Khan Academy (video explicativo en portugués): Introducción al Movimiento Circular

Actividad Práctica

Título de la Actividad: Montaña rusa de cartón

Objetivo del Proyecto:

El objetivo de esta actividad es diseñar y construir una montaña rusa para una canica, utilizando cartón, con el fin de aplicar los conceptos de fuerza centrípeta y movimiento curvilíneo. Los alumnos explorarán estos conceptos mediante la creación de un proyecto funcional, aplicando conocimientos de física en el proceso.

Descripción Detallada del Proyecto:

Los alumnos, trabajando en grupos de 3 a 5 personas, tendrán que crear una montaña rusa para una canica. Esta montaña rusa deberá tener al menos dos loops y dos curvas fuertemente inclinadas, permitiendo que la canica complete todo el recorrido sin ayuda adicional después de un impulso inicial.

Materiales Necesarios:

1. Cartón
2. Canicas
3. Cinta adhesiva
4. Regla
5. Material para cortar cartón (como un cutter)
6. Lápiz

Paso a Paso:

1. Planificación: Los alumnos deben primero esbozar el proyecto de la montaña rusa en un papel, identificando dónde se colocarán las curvas y los loops.

2. Construcción de la Base: El siguiente paso es construir la base de la montaña rusa. Cortar el cartón en tiras anchas para crear la pista. Usar la cinta adhesiva para unir las piezas según sea necesario.

3. Construcción de las Curvas: Crear las curvas y los loops, recordando que la canica necesita tener suficiente velocidad para vencer la gravedad y completar los loops. Utilizar la cinta adhesiva para fijar las curvas y los loops en la base.

4. Pruebas: Realizar pruebas con la canica, haciendo ajustes en la montaña rusa según sea necesario hasta que la canica pueda completar todo el recorrido sin detenerse.

5. Cálculos: Después de que la montaña rusa esté funcional, los alumnos deberán medir la altura inicial de la canica, el radio de los loops y curvas, y el tiempo que la canica tarda en recorrer la pista. Con estos datos, los alumnos podrán calcular la velocidad inicial de la canica, la fuerza centrípeta en los loops y curvas, y la aceleración de la canica.

Entregas del Proyecto:

• Informe: Los alumnos deben redactar un informe detallando todo el proceso. El informe debe contener una introducción teórica contextualizando los conceptos de física aplicados (fuerzas en movimientos curvilíneos, fuerza centrípeta, etc.), un detalle del desarrollo del proyecto (planificación, construcción, pruebas y cálculos) destacando las dificultades y las soluciones encontradas durante el proceso. En la conclusión, los alumnos deben reflexionar sobre lo que aprendieron durante la realización del proyecto, tanto en términos de conceptos de física como de trabajo en equipo, gestión del tiempo y resolución de problemas. Por último, se deben listar todos los recursos utilizados para la realización del proyecto en la bibliografía.

• Presentación: Además del informe, los alumnos tendrán que realizar una presentación de 10 a 15 minutos sobre el proyecto. En esta presentación, se deben abordar los conceptos teóricos involucrados, la demostración de la montaña rusa en funcionamiento, las discusiones sobre las dificultades encontradas y resueltas, y los aprendizajes adquiridos.

Recuerda, el objetivo del proyecto es aplicar los conceptos de fuerza centrípeta y movimiento curvilíneo en un proyecto práctico, desarrollando habilidades de trabajo en equipo, gestión del tiempo y resolución de problemas. ¡Diviértanse!