Material elaborado por: Gloria Núñez V – Irene Reyes L.
MATERIAL DE APOYO PARA EL DOCENTE
FUERZAS EN ACCIÓN
2 1. DESCRIPCIÓN DE LA UNIDAD
El objetivo de esta Unidad es que los y las estudiantes puedan identificar la acción de diferentes tipos de fuerzas en diversas situaciones. Así por ejemplo, que sean capaces de reconocer las fuerzas que actúan en un cuerpo en movimiento, como un auto o un péndulo, o sobre un objeto en reposo, como un libro sobre una mesa o una lámpara que cuelga del techo.
En esta unidad los estudiantes deberán describir las fuerzas como magnitudes vectoriales, entendiendo que es importante identificar no solo su intensidad, si no también el sentido y dirección en que actúan, debido a que sus efectos varían según varían estas tres variables que describen a una fuerza
2. DURACIÓN APROXIMADA 2 semanas.
3. OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Eje Temático: Física
Planificar y conducir una investigación experimental para proveer evidencias que expliquen los efectos de las fuerzas gravitacional, de roce y elástica, entre otras, en situaciones cotidianas.
4. HABILIDADES Y ETAPAS DE LA INVESTIGACIÓN CIENTÍFICA Observar y plantear preguntas
a. Observar y describir objetos, procesos y fenómenos del mundo natural y tecnológico, usando los sentidos.
b. Identificar preguntas y/o problemas que puedan ser resueltos mediante una investigación científica.
c. Formular y fundamentar predicciones basadas en conocimiento científico. Planificar y conducir una investigación
a. Planificar una investigación experimental sobre la base de una pregunta y/o problema y diversas fuentes de información científica, considerando:
‒ la selección de instrumentos y materiales a usar de acuerdo a las variables presentes en el estudio
‒ la manipulación de una variable
‒ la explicación clara de procedimientos posibles de replicar
b. Planificar una investigación no experimental y/o documental a partir de una pregunta científica y de diversas fuentes de información, e identificar las ideas centrales de un documento.
d. Organizar el trabajo colaborativo, asignando responsabilidades, comunicándose en forma efectiva y siguiendo normas de seguridad.
Procesar y analizar la evidencia
a. Organizar y presentar datos cuantitativos y/o cualitativos en tablas, gráficos, modelos u otras representaciones, con la ayuda de las TIC.
b. Crear, seleccionar, usar y ajustar modelos simples, en forma colaborativa, para apoyar explicaciones de eventos frecuentes y regulares.
c. Examinar los resultados de una investigación científica* para plantear inferencias y conclusiones:
‒ determinando relaciones, tendencias y patrones de la variable en estudio
‒ usando expresiones y operaciones matemáticas cuando sea pertinente, por
ejemplo:
proporciones, porcentaje, escalas, unidades, notación científica, frecuencias y medidas de tendencia central (promedio, mediana y moda)
Evaluar
a. Evaluar la investigación científica con el fin de perfeccionarla, considerando:
‒ la validez y confiabilidad de los resultados ‒ la replicabilidad de los procedimientos ‒ las posibles aplicaciones tecnológicas
‒ el desempeño personal y grupal
Comunicar
a. Comunicar y explicar conocimientos provenientes de investigaciones científicas, en forma oral y escrita, incluyendo tablas, gráficos, modelos y TIC.
b. Discutir en forma oral y escrita las ideas para diseñar una investigación científica, las posibles aplicaciones y soluciones a problemas tecnológicos, las teorías, las predicciones y las conclusiones.
5. RECOMENDACIONES METODOLÓGICAS
En esta unidad se espera que las y los estudiantes reconozcan las fuerzas gravitacional, de roce y elástica y otras fuerzas, y que comprendan que sobre los diferentes objetos y cuerpos pueden estar actuando varias fuerzas simultáneamente.
También se espera que sean capaces de graficarlas usando la representación vectorial y realicen diagramas de cuerpo libre. Sin embargo, no se intenta en este curso que lleguen a hacer un análisis cuantitativo de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo, si no que establezcan tamaños relativos, direcciones y sentidos de dichas fuerzas mediante su representación vectorial.
4 Es importante que rescate las concepciones que los y las estudiantes tienen respecto del concepto de fuerza, pues suelen manifestarse una serie de preconcepciones que pueden entorpecer su comprensión. Por ejemplo, piensan que:
‒ solo los cuerpos activos pueden ejercer fuerza ‒ la fuerza es una propiedad de los cuerpos
‒ la velocidad es proporcional a la fuerza aplicada ‒ la aceleración es producto de una fuerza variable ‒ un cuerpo de mayor masa ejerce una mayor fuerza
‒ etc.
6. MATERIAL DE AULA
Para promover el logro de los aprendizajes y el desarrollo de las habilidades de pensamiento científico propuestos, se plantea utilizar el método de indagación en algunas de las actividades, promoviendo y ayudando a que los y las estudiantes vayan construyendo las interpretaciones y conocimiento acerca de los fenómenos naturales estudiados.
GUÍA 1: ¿QUIÉN EJERCE LA FUERZA?
Esta guía tiene como propósito que los y las estudiantes comiencen a representarse las fuerza como entidades vectoriales, reconociéndolas en situaciones cotidianas.
La primera actividad busca rescatar el conocimiento previo de los estudiantes, por lo que no importa si las representaciones que hagan de las fuerzas no están bien. Debe aprovechar esta instancia para que los estudiantes muestren cómo las grafican y discutan entre ellos las diferentes posibilidades antes de formalizar la forma de representar las fuerzas.
El propósito con las actividades iniciales es poner de manifiesto que es necesaria la interacción entre dos o más cuerpos para que se ejerza una fuerza.
Para cada caso, invite a las alumnas y alumnos a analizar cada situación y identificar las fuerzas que están actuando en cada caso. En general los estudiantes se confunden al representar las fuerzas. Enséñeles que las fuerzas se pueden representar mediantes vectores los que se deben dibujar sobre el cuerpo en el que se ejercen y en las direcciones y sentidos en que actúan.
Por ejemplo, para el caso del libro sobre la mesa, las fuerzas deben dibujarse sobre el libro de la manera siguiente:
En la lectura que se les presenta a continuación de la actividad se les enseña a representar las fuerzas que actúan sobre un objeto mediante un diagrama de cuerpo libre. Este diagrama tiene la finalidad de facilitar el análisis de las fuerzas que están actuando y poder determinar si existe una fuerza resultante que está afectando el estado de movimiento del cuerpo. Es importante que los estudiantes comprendan que finalmente el estado de movimiento del objeto se verá afectado por la fuerza resultante o neta, y no necesariamente, por las fuerzas que se apliquen. En el caso de la roca, las fuerzas que se están aplicando están equilibradas entre sí, por lo cual la fuerza neta resulta nula y el estado de movimiento de la roca sigue sin variar. Se espera que los alumnos y alumnas hagan este análisis de manera cualitativa.
En el caso de la pelota que rebota, invite a los estudiantes a hacer el análisis del movimiento que continúa. Ellos podrán darse cuenta que la pelota, aunque en la imagen aparece que va subiendo, en algún momento comenzará a bajar, lo que es producto de la fuerza resultante, que en este caso es distinta de cero e igual a la fuerza de atracción de la Tierra si es que no se considera la fricción con el aire.
Puede que algunos estudiantes sean capaces de identificar la fuerza de roce de la pelota con el aire. Indíqueles que esta fuerza es pequeña y menos que la fuerza con que la Tierra atrae a la pelota, por lo que la fuerza resultante es un poco menor que la de gravedad, pero en la misma dirección y sentido.
Pídales a los estudiantes que luego de la lectura, revisen y mejoren los diagramas de las fuerzas que realizaron.
Fuerza que ejerce la superficie de la mesa sobre el libro
Fuerza que ejerce la Tierra sobre el libro
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GUÍA 2: ALGO MÁS ACERCA DE LA FUERZA RESULTANTE
El propósito de las actividades de esta guía es reforzar en los estudiantes la comprensión que sobre un cuerpo pueden estar actuando dos o más fuerzas, y que el efecto de cambio en su movimiento es causado por la fuerza neta o resultante.
Si bien se espera que entiendan que la fuerza resultante es la suma vectorial no se espera que hagan esta suma de manera cuantitativa si no cualitativa. Es decir, que se den cuenta por ejemplo que aparecen fuerzas que están actuando en la misma dirección, que son de magnitudes iguales pero de sentido opuesto, por lo que se anulan y el cuerpo queda equilibrado en esta dirección. O que hay fuerzas que pueden estar actuando sobre un cuerpo en la misma dirección y sentido, y que por lo tanto sus magnitudes se suman.
En la actividad experimental las alumnas y alumnos deberán identificar las fuerzas que actúan sobre una goma que yace sobre una regla, primero cuando esta está en posición horizontal y luego con diferentes grados de inclinación.
Los estudiantes deberán dibujar el diagrama de cuerpo libre en cada situación. Basta con que identifiquen dos fuerzas: la normal y el peso. La fuerza que sostiene la goma y que es la que ejerce la superficie de la regla impidiendo que caiga, se denomina fuerza normal (N). Siempre la fuerza normal es perpendicular a la superficie que la ejerce, por ello, cuando se inclina la regla, también se inclina la normal.
Por su parte la fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Tierra, el peso de la goma, siempre apunta de forma perpendicular a la superficie del suelo, por lo que al variar la inclinación de la regla, esta no modifica su dirección, desalineándose con la fuerza normal. Al desalinearse las fuerzas de gravedad y normal ya no se equilibran y se obtiene una resultante en la dirección de la inclinación de la regla apuntando hacia abajo por sobre la misma. Es esta resultante la que finalmente cambia el estado de movimiento de la goma y hace que comience a moverse.
Fuerza normal (N)
Componente vertical del peso, que se anula con la normal. Fuerza peso
Fuerza resultante correspondiente a la componente horizontal del peso.
se mueve. Pregúnteles a que se debe esta situación. Guíelos a que se den cuenta que debe existir otra fuerza que se opone a la componente horizontal del peso y que esta fuerza corresponde al roce. Las alumnas y alumnos deberán llegar a comprender que la fuerza resultante es la suma vectorial entre la componente horizontal del peso y la fuerza de roce. Sólo cuando la componente horizontal del peso supera la fuerza de roce, la goma comienza a moverse y a deslizarse hasta la parte baja de la regla.
La resultante de la suma vectorial de las fuerzas que actúan sobre la goma es el siguiente:
Luego de la actividad pídales que hagan la siguiente lectura, y a partir de ella, completen o corrijan sus diagramas de cuerpo libre y sus respuestas. Revise con ellos las correcciones.
Fuerza peso
Fuerza normal (N)
Componente vertical del peso, que se anula con la normal.
Componente horizontal del peso.
Fuerza de roce
Fuerza neta o resultante de la suma vectorial entre la componente horizontal del peso y el roce.
8 GUÍA 3: EXPERIMENTANDO CON DIFERENTES FUERZAS
Esta última actividad busca que los estudiantes exploren las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en movimiento. Para esto, se les solicita que armen un montaje consistente en un autito de juguete amarrado con un hilo que termina en un clip grande, donde deberán colgar distinto número de golillas. Ellos deberán identificar en un diagrama de cuerpo libre todas las fuerzas que están actuando: el peso, la normal, el roce y la fuerza aplicada.
Podrán observar que cuando colocan cierto número de golillas colgando del hilo, entonces el autito comienza a moverse. Es importante que registren el tiempo del movimiento del autito antes de que las golillas toquen el suelo.
Es importante también que los estudiantes definan una línea de partida y una de término, para medir siempre el tiempo que demora el autito en recorrer esta misma distancia colgando diferentes cantidades de golillas en el clip. Necesitarán para ello un reloj con cronómetro o con segundero. Deberán realizar al menos tres medidas para cada cantidad de golillas.
Invite a los estudiantes a que sean ellos mismos quienes definan el formato de tabla donde registrarán los datos.
Al final de la actividad ellos deberán observar que a medida que aumentan el número de golillas, el autito demora menos en llegar a la meta. Pídales reflexionar sobre qué ocurre con las velocidades en cada caso y guíelos a notar que las velocidades van siempre en aumento: parten de cero (cuando el autito aún no se está moviendo en la línea de inicio) y terminan con un valor mayor de velocidad (cuando llegan a la meta). Ellos deberán darse cuenta que la velocidad final del autito (al llegar a la meta) es mayor en la medida que el número de golillas aumenta, es decir, a medida que la fuerza neta o resultante aumenta.
Para la actividad requerirán los siguientes recursos:
‒ 40 golillas (argollas) de metal ‒ 1 clip grande
‒ Hilo de volantín ‒ Un autito de juguete ‒ Regla
‒ Reloj con cronometro
Procedimiento
1. Con las golillas de metal, el hilo de volantín, el autito de juguete y la regla, los estudiantes deben realizar el montaje que se indica en la figura.
Deberán atar un extremo del hilo al autito, en el otro extremo atar el clip abierto y en él colgar las golillas. Estas consistirán en el sistema de peso descendente y será la fuerza de empuje del autito.
Señálele a los alumnos que las golillas no topen el suelo si el autito no ha llegado a la meta (cerca del final de la mesa).
Montaje:
2. Deberán colgar 10 golillas en el clip (deben mover el auto), soltar el auto desde la partida y medir el tiempo que demora en llegar al fin de la mesa. Repetir esta medición al menos tres veces.
3. Luego, aumentar las golillas de 10 en 10 y en cada caso medir el tiempo que demora el autito en ir desde la partida hasta la meta.
4. Los alumnos deberán registrar sus mediciones en una tabla. Invítelos a que sean ellos mismos que diseñen sus tablas.
Una vez terminada la actividad experimental, se propone una segunda actividad con el propósito de que los estudiantes se expliquen por qué es necesario colgar cierto número de argollas para que el autito se mueva, y que si colocan una cantidad inferior, el autito sigue detenido.
En esta actividad deberá dar relevancia a la fuerza de roce presente entre el autito y la superficie por la cual se desplaza. Para notar mejor el efecto de la fuerza de roce, los estudiantes deberán modificar la superficie de la mesa colocando un pliego de lija, y luego (opcional) un trozo de alfombra. En estas condiciones, requerirán colgar un mayor número de golillas para que el autito inicie el movimiento. Esto ocurre porque la fuerza de roce es mayor para superficies más rugosas.
En el movimiento estudiado existen dos tipos de roce:
Roce estático, que es la fuerza de roce que se establece entre la superficie y el cuerpo antes de que comience a moverse. Esta fuerza es variable y aumenta en la medida que aumenta la fuerza aplicada (por las golillas en este caso) equilibrándola y haciendo que el cuerpo permanezca en reposo, hasta un límite en que el movimiento del objeto es inminente.
10 Roce dinámico, aparece cuando el cuerpo inicia su movimiento, es menor que el roce estático y es constante. Esto explica por ejemplo, por qué es más fácil empujar un auto u otro objeto cuando ya está en movimiento, comparado con el esfuerzo que se debe hacer para comenzar a moverlo.
Para que los estudiantes aprendan sobre esto, pídales que hagan la lectura que sigue, luego coméntela y deles y pídales ejemplos. Ellos deben también, a partir de la lectura, responder unas preguntas finales que invitan a hacer un análisis más detenido de lo observado durante el experimento.
