Etapa 1: Escenario de aprendizaje

Transcripción

1 Actividad aprendizaje activo Física II Densidad y fuerza Boyante Dr. Omar Olmos López Instrucciones: A continuación se te presenta una secuencia didáctica que deberás seguir paso a paso, resolviendo cada etapa que se te presenta. Lee con detenimiento las instrucciones, recaba los datos solicitados y realiza una reflexión sobre los mismos como se te solicitará. Objetivos a abordar: Estática de fluidos Definir los conceptos de densidad Enunciar y describir los principios de Pascal y Arquímedes Describir el empuje hidrostático o fuerza boyante y resolver problemas sobre fuerza de flotación Etapa 1: Escenario de aprendizaje Uno de los problemas que al hombre han intrigado ha sido conocer y entender las causas por las que los objetos flotan. Este fenómeno ha sido un escenario de aprendizaje fundamental para los elementos de la estática de fluidos.

2 Etapa 2: Introducción al cálculo de densidad Introducción. Quizás has escuchado que el aceite flota en el agua. También sabes que los cubos de hielo normalmente flotan en un vaso de agua. A qué se debe esto? Qué es lo que causa que algunos objetos flotan en el agua (los hielos, el aceite, los perros) y que otros objetos se hundan (los metales, las cucharas, los ladrillos)? Parte de este fenómeno es explicado por el concepto de densidad de la materia. La densidad media de una sustancia se puede determinar a través de la relación: En el sistema internacional las unidades de la densidad son kg/m 3, aunque también puede expresarse en gr/cm 3 y en el sistema inglés como slug/pie 2. Recuerda que una unidad de volumen también son los litros. Aproximadamente 1 m 3 = 10 3 Lt Puedes utilizar wólfram alpha para determinar transformaciones de unidades: m V Etapa 3 Familiarización con el simulador de Phet (Physiscs Education Technology) Toma algunos minutos y cambia los diferentes parámetros y opciones que tiene el simulador que puedes acceder a través de la siguiente liga. Juega con las diferentes opciones.

3 Etapa 4 Visualización de diagramas de cuerpo libre y casos de estudio 1.- Toma diferentes bloques como lo son de tabique, aluminio, unicel, Madera y deposita cada uno de estos bloques en el contenedor de agua. 2.-En los siguientes esquemas, dibuja los diagramas de cuerpo libre de los diferentes situaciones que observas en los bloques cuando los sueltas en el recipiente. Objeto que se hunde al fondo Objeto que flota en el líquido Objeto que flota en la superficie 3.- En qué situaciones al momento de dejar el bloque en el líquido sufre una aceleración el bloque? : y 4.- Cuál debe ser la fuerza neta vertical en los casos en los que los bloques flotan? Etapa 5 Determinación de densidad de cada bloque Determina el porcentaje del volumen de cada bloque de los diferentes materiales que parcialmente se sumergen al momento de flotar: Madera, hielo, unicel al momento de soltarlos en el líquido. (Recuerda que la densidad del agua es 1.00 kg/l)

4 Sigue la siguiente tabla para determinar los valores que los materiales se sumergen parcialmente en el agua. Material Masa 1= 2 kg Masa 2= 5 kg Masa 3= 7 kg % del vol. de Madera Sumergido % del vol. de Hielo sumergido en agua % del vol.de Unicel sumergido en agua Con base en los resultados obtenidos propón una relación para determinar el % del volumen sumergido en relación a la masa de un objeto. % vol sumergido = Cálculo de densidades Utiliza los casos de los bloques de densidad desconocido que se indican en cada tabla, seguido de los parámetros marcados de las opciones localizadas en el extremo derecho de la tabla, y completa los valores experimentales de la siguiente tabla. Misma masa Bloque % vol. sumegido Masa, kg Volumen, L Densidad, kg/l Azul 5.00 kg Amarillo Verde Rook Se hunde totalmente / 100% 5.00 kg 5.00 kg 5.00 kg Mismo Volumen Bloque % vol. sumergido Masa, kg Volumen, L Densidad, kg/l Azul Amarillo Verde Rojo

5 Misma Densidad Bloque % vol. sumergido Masa, kg Volumen, L Densidad, kg/l Azul Amarillo Verde Rojo Bloques misteriosos Block % vol. sumergido Masa, kg Volumen, L Densidad, kg/l Azul, B amarillo, A Verde, C Rojo, D Morado, E Etapa 6 análisis de fuerza boyante Utiliza la simulación de fuerza boyante que puedes descargar de:

6 Opciones de arranque 1.- Selecciona la pestaña Bouyancy Playgraund en el simulador. 2.-Observa que existen 5 diferentes tipos de fluidos para escoger y 5 diferentes materiales (unicel, madera, hielo y aluminio) 3.- Utiliza las tablas que se te proporcionarán para organizar tu trabajo. Etapa 6.1 Predicción de flotación de los materiales 1. En cada escenario definido en la tabla, primero, predice si los objetos flotarán o se hundirán. Para todos los casos utiliza un bloque de 4.5 kg. Escribe F=flota, H=hunde Para identifica cada caso. 2. Enseguida prueba cada objeto en el simulador, y verifica el resultado experimental con tu predicción.

7 Parte 1: Escribe una F si el objeto Flota y una H si se hunde. Recuerda Primero escribe tus predicciones.!! Unicel Madera Hielo Ladrillo Aluminio Aire Gasolina Aceite de Oliva Agua Miel Pred. Exp. Pred. Exp. Pred. Exp. Pred. Exp. Pred. Exp. Pred: predicción exp:verificación experimental con simulador Procedimiento parte Para cada objeto, calcula la densidad en kg/l del fluido a la cual se hunde cada bloque y el % del vol sumergido 2. Utiliza para todos los casos una masa de 4.5 kg 3. Registra tus resultados en la siguiente tabla Hielo Seco Aire Gasolina Aceite de oliva Agua Miel Madera Hielo Ladrillos Aluminio Parte 6.3 fuerza boyante 1. En este apartado, se determinará la magnitud de la fuerza boyante que actúa sobre los bloques de 4.5 kg de masa. 2. Determina como puedes encontrar la magnitud de la fuerza boyante. 3. Registra tus mediciones en la siguiente tabla.

8 unicel Aire Gasolina Aceite de Oliva Agua Miel madera Hielo Ladrillos Aluminio

9 Conclusiones 1. En la parte 6.1, Qué sucedió cuando el hielo fue colocado en aceite de olive? 2. En la parte 6.2, Qué objetos cuentan con las mayores densidades? 3. De la parte 3, Cuál es la relación que existe entre la fuerza boyante y el peso de un objeto cuando el objeto a. Se hunde? b. Flota? 4. Cómo es posible que dos objetos de la misma masa uno se hunda y el otro flote?. Utiliza tus observaciones y registros de la actividad para contestar esta pregunta. Responde a las siguientes preguntas con base a los resultados obtenidos previamente. Encierra las respuestas que consideres correctas. 1. Incrementándose el tamaño de un objeto la densidad de un objeto : Se incrementa Se decrementa No cambia 2. Un objeto de densidad de 0.67 kg/l debe flotar aproximadamente en el agua qué porcentaje de su volumen. 1/3 ½ 2/3 3. Un objeto que flota, su fuerza flotante debe ser respecto a la fuerza de su peso : Igual más grandes menos grande 4. Un cubo de hielo solado en un vaso de 100% de etanol (densidad kg/l) debe: Flotar hundirse

10 5. Usando la fórmula que encontraste del % del volumen que se sumerge un objeto en un líquido, determina el porcentaje del volumen que un bloque de madera (densidad madera =0.400 kg/l) debe sumergirse en etanol. 6. Determina la densidad de un metal desconocido que desplaza 4.5 L de agua y se encuentra que tiene una masa de 25.4 kg: 7. Cuánta agua desplaza un bloque de metal de 1.0 kg con densidad de 7.00 kg/l? 8. Cuánta agua desplazará un bloque de plástico de 1.0 kg con densidad de (ρ= 0.60 kg/l) cuando este flota? (careful) 9. Imagina que sujetas el bloque de plástico de la pregunta anterior dentro del agua. Al soltarlo del reposo, cuál será la aceleración del bloque al ascender? Escenario de análisis final El bloque rojo en la opción Same Volume flota en el agua. El bloque azul se hunde en el agua. Usando los valores obtenidos en las tablas anteriores y tus conocimientos acerca la fuerza boyante y los pesos, Cuál es el volumen del bloque azul que lo mantendrá flotando justo arriba del nivel del agua si el bloque azul es colocado arriba del bloque rojo en el agua? L Azul rojo