Estática. Carrera: PED-1011 SATCA

Transcripción

1 1.- DATOS DE LA ASIGNATURA Nombre de la asignatura: Carrera: Clave de la asignatura: SATCA 1 Estática Ingeniería Petrolera. PED PRESENTACIÓN Caracterización de la Asignatura. La estática es parte de mecánica que aporta al perfil del estudiante de Ingeniería Petrolera los conocimientos, habilidades y destrezas para explicar los fenómenos relacionados con el equilibrio de fuerzas, sobre un cuerpo en reposo y la sensibilidad y conocimientos para hacer uso eficiente de los materiales. Para integrarla se hizo el análisis de la mecánica, lo cual permitió identificar temas como: obtención de esfuerzos cortantes, fuerza normal, de torsión, momento flector y fricción a lo largo de una pieza, que puede ser una viga, un puente o un mástil de un equipo de perforación de pozos que tienen mayor aplicación en el quehacer profesional del Ingeniero Petrolero. Intención Didáctica. El programa de estática está organizado en cinco unidades. Se propone abordar cada uno de los temas de la estática, partiendo de la identificación de cada uno de los conceptos en el entorno cotidiano o el de desempeño profesional del Ingeniero Petrolero. Las unidades uno y dos inician el estudio del origen, objetivos, conceptos y operaciones básicas de la estática, debido a que los conceptos, principios y leyes que rigen el análisis de una partícula y el análisis de un cuerpo rígido suelen usarse en el resto del programa. La unidad tres inicia con el análisis de estructuras. La idea es abordar reiteradamente los conceptos fundamentales hasta conseguir su comprensión. En la tercera unidad se sugiere realizar actividades integradoras que permitan a los estudiantes elaborar diagramas para identificar los diferentes tipos de estructuras, investigar, analizar y aplicar métodos de cálculo de fuerzas internas a las que esta sometida una estructura. De ser necesario, mediante un análisis de materiales, trazados los diagramas y obtenidas las ecuaciones el Ingeniero Petrolero puede resolver problemas que impliquen el equilibrio de una estructura sometida a la acción de fuerzas y decidir el material con el que se construirá una pieza mecánica, dimensiones que deberá tener, límites para uso seguro, etc. 1 Sistema de asignación y transferencia de créditos académicos 1

2 Esto permite mostrar a la Estática como útil por sí misma en el desempeño profesional, independientemente de la utilidad que representa en el tratamiento y entendimiento de temas en materias posteriores. En la unidad cuatro surge un concepto clave: el centro de gravedad de un cuerpo en reposo. La discusión y análisis de la problemática aplicada a la Ingeniería Petrolera permitirá al estudiante concluir y hacer recomendaciones respecto de la posición del punto relativo sobre el cual se encuentra un cuerpo y como determina su estabilidad frente a pequeños movimientos. Por ejemplo, si el centro de gravedad se sitúa fuera de las bases y, a continuación, el cuerpo es inestable porque hay un par que actúa: cualquier pequeña perturbación hará caer al cuerpo. Si el centro de gravedad cae dentro de las bases, el cuerpo es estable. La unidad cinco permite al estudiante de Ingeniería Petrolera entrar en el estudio de las leyes que rigen el fenómeno de fricción, así como la determinación experimental del coeficiente de fricción y del ángulo de fricción. Mediante el análisis y discusión de los temas de esta unidad el estudiante planteará y formulará las funciones matemáticas y sus restricciones que permitan la resolución de problemas relacionados con la fricción cuando un objeto se mueve sobre una superficie o un medio viscoso. Para lograr el entendimiento de las fuerzas de fricción será condición necesaria que la enseñanza del tema sea problemática aplicada a la Ingeniería Petrolera. Para ilustrar las fuerzas de fricción se puede hacer mención a hechos cotidianos importantes en los que las fuerzas de fricción juegan un papel importante, por ejemplo, las fuerzas de fricción nos permiten caminar o correr o suponer que intenta mover un pesado mueble sobre el piso. Usted empuja cada vez con más fuerza hasta que el mueble parece "liberarse" para en seguida moverse con relativa facilidad. El enfoque sugerido para la materia requiere que las actividades prácticas promuevan el desarrollo de habilidades para la experimentación, tales como: identificación, manejo y control de variables y datos experimentales. Esto permitirá la formulación de hipótesis, trabajo en equipo, análisis y deducción para generar una actividad intelectual compleja. En las actividades prácticas sugeridas, es conveniente que el profesor tenga conocimientos amplios de los temas a estudiar y busque únicamente guiar a los estudiantes para que ellos hagan la elección de las variables a controlar y registrar. Para que aprendan a planificar, diseñar experimentos y hacer el análisis de los datos experimentales obtenidos. En las actividades de aprendizaje sugeridas, generalmente se propone la formalización de los conceptos a partir de experiencias concretas; se busca que el alumno tenga el primer contacto con el concepto en forma concreta y sea a través de la observación, la reflexión y la discusión grupal que se dé la formalización; la resolución de problemas. La resolución de problemas debe ser específica para Ingeniería Petrolera de forma que el estudiante se ejercite en la obtención de datos relevantes relacionados con su área de desempeño profesional. En el transcurso de las actividades programadas es muy importante que el estudiante aprenda a valorar las actividades que lleva a cabo y entienda que está construyendo su hacer futuro y en consecuencia actúe de una manera profesional; para desarrollar su curiosidad, capacidad e interés para aprender. 2

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4 3.- COMPETENCIAS A DESARROLLAR Competencias Específicas Analizar y aplicar los principios y las leyes de la estática en la solución de problemas de partículas y cuerpos rígidos sujetos a la acción de fuerzas. Competencias Genéricas Competencias Instrumentales Capacidad de análisis y síntesis Capacidad de organizar y planificar Conocimientos básicos de la carrera Comunicación oral y escrita Habilidad para buscar y analizar información proveniente de fuentes diversas Solución de problemas relacionados con equilibrio mecánico. Toma de decisiones. Competencias interpersonales Capacidad crítica y autocrítica Trabajo en equipo Habilidades interpersonales Competencias sistémicas Capacidad de aplicar los conocimientos teóricos adquiridos en los experimentos realizados. Habilidades de investigación. Capacidad de aprender. Capacidad de generar nuevas proyectos relacionados con su área de desempeño. 4

5 4.- HISTORIA DEL PROGRAMA Lugar y fecha de elaboración o revisión Instituto Tecnológico Superior de Puerto Vallarta del 10 al 14 de agosto de Desarrollo de Programas en Competencias Profesionales por los Institutos Tecnológicos del 17 de agosto de 2009 al 19 de febrero de Instituto Tecnológico Superior de Poza Rica del 22 al 26 de febrero de Participantes Representantes de los Institutos Tecnológicos de: Superior de Coatzacoalcos, Minatitlán, Superior de Poza Rica y Superior de Venustiano Carranza. Academias de Ingeniería Petrolera de los Institutos Tecnológicos de: Superior de Coatzacoalcos, Minatitlán, Superior de Poza Rica, Superior de Tantoyuca y Superior de Venustiano Carranza. Representantes de los Institutos Tecnológicos de: Superior de Coatzacoalcos, Minatitlán, Superior de Poza Rica, Superior de Tantoyuca y Superior de Venustiano Carranza. Evento Reunión Nacional de Diseño e Innovación Curricular para el Desarrollo y Formación de Competencias Profesionales de la Carrera de Ingeniería Petrolera. Elaboración del programa de estudio propuesto en la Reunión Nacional de Diseño Curricular de la Carrera de Ingeniería Petrolera. Reunión Nacional de Consolidación de los Programas en Competencias Profesionales de la Carrera de Ingeniería Petrolera. 5

6 5.- OBJETIVO(S) GENERAL(ES) DEL CURSO Analizar y aplicar los principios y las leyes de la estática en la solución de problemas de partículas y cuerpos rígidos sujetos a la acción de fuerzas. 6.- COMPETENCIAS PREVIAS Notación científica. Sistemas de unidades (Sistema Inglés y Sistema Internacional) Concepto de vector y magnitud escalar. Componentes de un vector (Origen, magnitud, dirección y sentido). Operaciones básicas vectoriales (Suma, resta, producto punto y producto vectorial). Dibujo a mano alzada y dibujo isométrico. 7.- TEMARIO Unidad Temas Subtemas 1.1 Introducción 1.2 Concepto de fuerza, vector 1.3 Descomposición de fuerzas en 2 y 3 1 Análisis de la partícula. dimensiones (expresión de fuerzas con vectores unitarios, cosenos directores) 1.4 Sistema de fuerzas concurrentes 1.5 Equilibrio de una partícula. 2 Análisis del cuerpo rígido. 2.1 Fuerzas internas y externas 2.2 Principio de transmisibilidad. 2.3 Diagrama de cuerpo libre (tercera ley de Newton). 2.4 Momento de una fuerza con respecto a un punto. 2.5 Momento de una fuerza con respecto a un eje. 2.6 Par de fuerzas. 2.7 Descomposición de una fuerza en una fuerza y un par. 2.8 Sistemas equivalentes de fuerzas 2.9 Fuerzas coplanares Fuerzas concurrentes Restricciones al movimiento y fuerzas reactivas Equilibrio en cuerpos rígidos sujetos a sistemas de fuerzas Determinación de reacciones por medio de sistemas equivalentes. 3.1 Introducción. 3.2 Análisis de armadura en el plano (métodos de 3 Métodos de análisis de nodos y secciones). estructuras. 3.3 Análisis de marcos isostáticos. 3.4 Análisis de máquinas de baja velocidad. 3.5 Método del trabajo virtual. 4 Propiedades de áreas 4.1. Introducción. 6

7 planas y líneas. 5 Fricción Primer momento de líneas y áreas (centroides y centros de gravedad de áreas por integración y compuestas) Segundo momento de área (simple, polar de área, teorema de ejes paralelos en 2 dimensiones, segundo momento de áreas compuestas). 5.1 Fricción. 5.2 Fricción seca. 5.3 Leyes de fricción. 5.4 Coeficientes y ángulos de fricción. 5.5 Análisis en planos inclinados. 8.- SUGERENCIAS DIDÁCTICAS El profesor debe: Ser conocedor de la disciplina que está bajo su responsabilidad, conocer su origen y desarrollo histórico para considerar este conocimiento al abordar los temas. Desarrollar la capacidad para coordinar y trabajar en equipo; orientar el trabajo del estudiante y potenciar en él la autonomía, el trabajo cooperativo y la toma de decisiones. Mostrar flexibilidad en el seguimiento del proceso formativo y propiciar la interacción entre los estudiantes. Tomar en cuenta el conocimiento de los estudiantes como punto de partida y como obstáculo para la construcción de nuevos conocimientos. Estimar mediante un examen diagnóstico el nivel de aprendizaje y comprensión de los conocimientos previos, con objeto de homogeneizarlos. Propiciar actividades de búsqueda, selección y análisis de información en distintas fuentes. Inducir y propiciar el razonamiento matemático relacionado con las leyes de la estática. Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de los contenidos de la asignatura. Fomentar actividades grupales que propicien la comunicación, el intercambio argumentado de ideas, la reflexión, la integración y la colaboración entre los estudiantes. Desarrollar la enseñanza problemática aplicada a la Ingeniería Petrolera. Llevar a cabo actividades prácticas que promuevan el desarrollo de habilidades para la experimentación, tales como: observación, identificación manejo y control de variables y datos relevantes, planteamiento de hipótesis, de trabajo en equipo. Desarrollar actividades de aprendizaje que propicien la aplicación de los conceptos, modelos y metodologías que se van aprendiendo en el desarrollo de la asignatura. Propiciar el uso adecuado de conceptos, y de terminología científico-tecnológica. Organizar sesiones grupales de discusión y análisis de conceptos y temas fundamentales. Proponer problemas que permitan al estudiante la integración de contenidos de la asignatura y entre distintas asignaturas, para su análisis y solución. Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente; así como con las prácticas de una ingeniería con enfoque sustentable. 7

8 Observar y analizar fenómenos y problemáticas propias del campo ocupacional. Relacionar los contenidos de esta asignatura con las demás del plan de estudios para desarrollar una visión interdisciplinaria en el estudiante. Relacionar los contenidos de la asignatura con el cuidado del medio ambiente; así como con las prácticas de una Ingeniería Petrolera sustentable. Cuando los temas lo requieran, utilizar medios audiovisuales para una mejor comprensión del estudiante. Propiciar el uso de las nuevas tecnologías en el desarrollo de la asignatura (hoja de cálculo, bases de datos, graficador, Internet, etc.). 8

9 9.- SUGERENCIAS DE EVALUACIÓN La evaluación puede ser considerada, en sentido estricto, un conjunto de actividades que se realizan, como parte del proceso de aprendizaje, para obtener información confiable acerca del logro de los objetivos previstos en este programa de estudio. Desde un punto de vista más amplio, la evaluación es un proceso integral, sistemático y gradual que permite valorar: Revisión de problemas resueltos aplicados a la Ingeniería Petrolera.. Revisión de resultados presentados en los reportes de las prácticas del laboratorio y visitas industriales. Reportes de investigación. Aplicación de exámenes escritos. Participación y desempeño integral del estudiante UNIDADES DE APRENDIZAJE Unidad 1: Análisis de la Partícula. Competencia Específica a Desarrollar Analizar y resolver problemas relacionados con la Ingeniería Petrolera que impliquen equilibrio de una partícula sometida a la acción de fuerzas. Actividades de Aprendizaje Realizar y discutir una revisión bibliográfica donde identifique la importancia del estudio de la Estática dentro de la Ingeniería Petrolera. Con base en esta discusión formalizar el concepto equilibrio mecánico y a partir de ello, definir el equilibrio de una partícula sometida a la acción de fuerzas. Investigar los métodos de análisis y solución de problemas relacionados el análisis del equilibrio de una partícula bajo la acción de fuerzas. Investigar y elaborar hojas de cálculo que muestren el uso de los sistemas de unidades (inglés e internacional) utilizados en diversos cálculos de Ingeniería Petrolera. Analizar sistemas de su entorno desde un punto de vista material. Concretar ese análisis en describir el concepto de fuerza y sus características. Elaborar un diagrama y discutir sobre las implicaciones a considerar en el análisis de una partícula y un cuerpo rígido. Dibujar el plano cartesiano y expresar una fuerza en función de vectores unitarios y sus correspondientes cosenos directores. Resolver problemas para determinar la resultante de un sistema de fuerzas concurrentes. Identificar mediante la realización de un experimento el equilibrio de una partícula en el espacio. Afinar los conocimientos adquiridos mediante la 9

10 Unidad 2: Análisis del Cuerpo Rígido. Competencia Específica a Desarrollar Explicar mediante la aplicación de los conceptos de equilibrio el comportamiento de cuerpo rígido y los fenómenos involucrados para la solución de problemas. resolución de problemas de equilibrio y discutirlos en grupos de trabajo. Analizar otros sistemas con el mismo propósito. Actividades de Aprendizaje Investigar, discutir y formalizar en forma grupal las características que permiten diferenciar entre fuerzas internas, fuerzas externas e identificarlas. Realizar experimentos que permitan la reflexión y comprensión del principio de transmisibilidad de fuerzas. Realizar una revisión bibliográfica respecto al concepto y función matemática que se ajusta para calcular el momento de una fuerza con respecto a un punto. Formalizar a partir de lo anterior el concepto de momento y resolver problemas de pares de fuerza. Investigar, resolver y discutir problemas donde se transforme una fuerza a un sistema fuerza-par. Investigar, resolver y discutir problemas donde se transforme un sistema de fuerzas a un sistema equivalente. Elaborar y analizar diagramas de cuerpo libre. Aplicar las condiciones de equilibrio en situaciones donde pueden ocurrir movimientos y determinar sus reacciones. Determinar las reacciones empleando sistemas equivalentes. Unidad 3: Métodos de Análisis de Estructuras. Competencia Específica a Actividades de Aprendizaje Desarrollar Aplicar los conocimientos adquiridos En grupo elaborar diagramas que permitan en el análisis y resolución de identificar los diferentes tipos de estructuras. problemas de diferentes tipos de Investigar, analizar y aplicar el método de estructuras. Calcular las fuerzas nodos en el cálculo de las fuerzas internas a internas de estructuras empleando las que esta sometida una estructura. métodos específicos en estructuras Investigar, analizar y aplicar el método de planas. secciones en el cálculo de las fuerzas internas a las que esta sometida una estructura. En grupos de trabajo analizar y discutir fuerza y pares internos en un marco isostático. Investigar y discutir en grupo el principio del trabajo virtual. Calcular las fuerzas internas a que están sometidas las estructuras por el método del 10

11 trabajo virtual. Unidad 4: Propiedades de Áreas Planas y Líneas. Competencia Específica a Actividades de Aprendizaje Desarrollar Analizar y resolver problemas que Investigar, discutir y analizar los involucren áreas planas y líneas para conceptos: centroide, centros de gravedad, determinar los centroides de áreas y primer momento de línea y área y segundo líneas así como el segundo momento momento de área. de área. Formalizar investigación mediante la aplicación en la solución de problemas donde se calcule: El primer momento de líneas y áreas. Los centroides y centros de gravedad de áreas por integración. Los centroides y centros de gravedad de áreas compuestas. El segundo momento de áreas simples por integración. El segundo momento de áreas compuestas por el teorema de los ejes paralelos. Unidad 5: Fricción. Competencia Específica a Desarrollar Mediante el análisis de los principios de la fricción seca y la información real plantear y formular las funciones matemáticas y sus restricciones que permitan la resolución de problemas relacionados con la fricción. Actividades de Aprendizaje Investigar, discutir y analizar el concepto de fricción, su importancia en Ingeniería Petrolera y establecer la diferencia entre fricción seca y fricción de fluido. Analizar e Identificar mediante la realización de un experimento las leyes de fricción y establecer el coeficiente de fricción. Aplicar las leyes de fricción seca a la solución de problemas. 11

12 11.- FUENTES DE INFORMACIÓN 1. Hibbeler, R. C., Mecánica Vectorial para Ingenieros: Estática, 1 a edición, Ed. Pearson Educacion. 2. Hibbeler, R. C., Ingeniería Mecánica Estática, 12 a edición, Ed. Pearson Educacion. 3. Bedford A., Fowler W., Mecánica para Ingeniería Estática, 5 a edición, Ed. Pearson Educación. 4. Nelson, E.W, Mecánica Vectorial: Estática y Dinámica, 5 a edición, Ed. McGraw- Hill. 5. Beer, F. P. y Johnston, E. R. Mecánica Vectorial para Ingenieros: Estática, 8 a edición, Ed. McGraw Hill. 6. Soutas R W. / Inman D. J., Ingeniería Mecánica Estática Edición Computacional, 1 a edición, Ed. Cengage Learning. 7. Das Kassimali, Sami, Mecánica para Ingenieros: Estática, 1 a edición, Ed. Limusa. 8. Meriam, J. L., Mecánica para Ingenieros. Vol. 01: Estática, 3 a edición, Ed. Reverté. 12

13 12.- PRÁCTICAS PROPUESTAS. 1. Visitas a talleres y laboratorios donde se visualice la importancia de la aplicación de la estática y su relación con área ocupacional de la Ingeniería Petrolera. 2. Elaborar prototipos didácticos simples para demostrar las leyes de la estática. 3. Resolver problemas mediante el uso de software. 4. Realizar un experimento donde se observe el equilibrio de una partícula en el espacio. 5. Determinación experimental de la constante de rigidez de resortes (K) para el análisis de fuerzas concurrentes. 6. Comprobar la primera Ley de Newton mediante el uso de dinamómetros. 7. Análisis del principio de poleas en sistemas mecánicos. 8. Determinación experimental del momento de una fuerza para cuerpos rígidos. 9. Comprobación experimental de la segunda Ley de Newton. 10. Estudio de los cuerpos en caída libre. 11. Cálculo del coeficiente de fricción estático y dinámico. 12. Determinación del diagrama de esfuerzo-deformación (tensión y compresión). 13