Alumnos:
Francisco Poblete - Cristian Monsalve
Profesores asesores: Álvaro Oñate - Ariel Araneda
INSTITUTO DE HUMANIDADES CONCEPCIÓN ALFREDO SILVA SANTIAGO
AGOSTO DE 2014
PROYECTO PRESENTADO EN LA FERIA DE FÍSICA Y MATEMÁTICA APLICADA
DE LA UFSM CONCEPCIÓN
Objetivo
General:
Elaborar
un experimento que permita replicar en condiciones de una sala de clases el principio de independencia de los
movimientos de Galileo
Origen
del proyecto:
El proyecto nace de una inquietud y necesidad originada por el estudio
de los movimientos bidimensionales. Tradicionalmente este tipo de contenido, se
caracteriza por un análisis en el plano teórico, mediante ecuaciones bien
conocidas pero de situaciones hipotéticas, lo que como consecuencia dificulta
la comprensión del fenómeno al situarse la abstracción matemática y no en el
fenómeno en sí De esta manera surge el cuestionamiento sobre la
posibilidad de replicar en condiciones de la sala de clases el principio de independencia de los
movimientos planteado por Galileo, que señala que “los movimientos componentes en un movimiento
compuesto se desarrollan independientemente uno de otro”, principio que da
origen a los siguientes postulados:
1.-
Si un cuerpo que se deja caer libremente y otro que es lanzado horizontalmente desde
la misma altura tardan lo mismo en llegar al suelo.
2.-
La independencia de la masa en la caída libre y el lanzamiento
vertical es igual de válida en los movimientos parabólicos.
Entonces se espera
comprobar estos planteamientos a partir de la generación de un
experimento sencillo, que involucre materiales reciclados y que contribuya
potencialmente a mejorar el aprendizaje de Física relacionada con el estudio
del movimiento de los cuerpos, al incorporar la participación de los
estudiantes y la observación de un fenómeno in situ.
Desarrollo:
Etapa
1: Recolección y registro de los materiales adecuados para la fabricación del
modelo (cables, láser, esfera, Ballesta, electroimán, transformador, madera y tubo de pvc).
Etapa
2: Planificación en base a modelo teórico fundamentado en el principio de
independencia de movimiento de los cuerpos y las ecuaciones de movimiento
bidimensional, complementado con el diseño del artefacto experimental que
sustenta su funcionamiento en un electroimán que permitirá liberar una esfera y
lanzar un proyectil al mismo tiempo.
Etapa
3: Construcción del modelo, calibración y descripción de sus componentes.
Etapa 4: Elaboración de un manual que resume de
manera sencilla pero completa la información acerca de los materiales
necesarios, etapas constructivas y experiencias a realizar, dirigido a
profesores, talleres de ciencias y alumnos interesados en el estudio práctico
del movimiento de los cuerpos.
Resultados:
Es
posible elaborar un experimento que permite replicar en condiciones de una sala
de clases el principio de independencia
de los movimientos de Galileo.
Dicho
experimento reporta resultados mayoritariamente coincidentes con el principio
antes señalado y con las ecuaciones que
describen el movimiento en dos dimensiones.
Comprobándose
de esta forma el postulado 1) y 2) de coincidencia de tiempos e independencia
de la masa, para caída libre y lanzamiento horizontal señalado en 6.3, a partir
de la colisión por intersección de trayectorias, entre una esfera que describe
una caída libre, y un proyectil que realiza un movimiento semiparabólico.
Los
resultados evidencian un margen de error asociado a roce de la partícula con el
aire y a la calidad de los materiales empleados, sin embargo, este margen era
esperado puesto que el sistema no es ideal, y la revisión bibliográfica
reportaba estas consideraciones
al llevar a cabo la experiencia a nivel práctico.
Manual de fabricación.
Parte 1.- Construcción de Electroimán
Materiales:
- Transformador con rectificador + conectores tipo
caimán ($4.500).
- Tornillo 5.5cm
de largo.
- Dos tuercas metálicas.
- Trozos de cartón piedra.
- Huincha aislante.
- Alambre de cobre 5m de largo (extraído de un del
secundario de un timbre).
Proceso de construcción:
1º Ubicar un disco de cartón piedra de 2cm de diámetro en el cuello del
tornillo, luego a 3cm se ubica un segundo disco de 3cm de diámetro que posee
dos orificios en sus extremos y una tuerca a continuación de éste que actuará
como límite del electroimán.
2º Enrollar el alambre de cobre
entorno al espacio entre los dos discos de cartón piedra, deben quedar dos
extremos libres de cable de 5cm que se introducirán en cada uno de los
orificios del disco más grande.
3º Una vez terminado el lanzador los extremos libres del electroimán
deben ser conectados a las pinzas del transformador.
4º La finalidad del electroimán es sostener la esfera de plumavit que
posee una tuerca metálica en un extremo, producto de la imantación generada por
el electroimán a la tuerca.
* Se realiza un pequeño orificio en la esfera de
plumavit , al interior de este se ubica una tuerca o trozo metálico pequeño y
luego se sella empleando cinta aislante.
* Esto
permitirá que la tuerca metálica sea atraída por por el
electroimán, manteniéndose colgando desde este cuando se
encuentra encendido, siendo liberada en caída libre cuando el electroimán es
desconectado.
Parte 2.- Construcción de la Ballesta
Materiales:
- Trozo de madera de 50cm de largo y de 2cm de grosor.
- Colgador de ropa de madera estándar.
- Dos elásticos.
- Tubo PVC de 50 cm .
- Madera terciada de 2mm de grosor.
- Alambre galvanizado 2mm diámetro.
- Tornillo.
Proceso de construcción:
1º Se diseña el sistema de gatillo en la madera terciada y se cortan las piezas con una sierra escolar, posteriormente se lijan, obteniendo la forma y medidas descritas en la imagen.
2º Cortar el trozo de madera de 50cm x 2cm con una sierra, se diseña y corta una culata a fin de otorgar maniobrabilidad y comodidad en la sujeción a la estructura base de la ballesta.
3º A
4º A 7 cm
del extremo derecho del trozo de madera se realiza un corte de 1 cm de profundidad, 1,5 cm de largo y 2 cm de ancho y se corta con
una sierra.
5º Se inserta el arco en el sacado y se fija con un tornillo (el arco es un colgador de ropa de madera al que se le quito el cuello de alambre).
6º Para el carril de lanzamiento, se realiza un corte de 29 cm a lo largo del tubo, extrayendo la mitad superior de éste. El tubo se fijará a la estructura superior de la ballesta mediante tornillos,pero antes de eso es necesario realizar un corte rectangular de 4,5 x 0,5 cm a 2 cm del extremo previamente intervenido con la finalidad de dar espacio al sistema de gatillo.
7º Se ubica un láser verde en la parte inferior del cuerpo de la ballesta (al centro) y se fija mediante una abrazadera. El láser actuará como puntero y guía, y deberá ser orientado únicamente hacia el centro de la esfera de plumavit.
Parte 3.-
Sistema de accionamiento eléctrico de la ballesta.
Materiales
-Abrazadera (estirada)
- Laminas de aluminio 4 x
0,5cm
- 3 Tornillos
- Palo de maqueta de 2,5cm
- Cable eléctrico de 27cm (doble)
- Jack de audio Mono hembra
Proceso de construcción
El sistema de accionamiento eléctrico,
es un interruptor, este tiene la función de encender o apagar el electroimán
que sostiene la esfera de plumavit, de manera que cuando el circuito está
cerrado la bola se mantiene colgando desde el electroimán y cuando el circuito
se abre la bola se libera producto de que el electroimán se desconecta.
En este caso la abrazadera
estirada funciona como una palanca, que ubicada en el extremo derecho entra en
contacto con la lamina superior de cobre, cerrando el circuito y por tanto encendiéndolo.
Cuando la ballesta es
preparada, es decir cuando se retrae el elástico, la abrazadera-palanca debe estar en posición de
cierre de circuito, de manera que cuando se dispara, el elástico desplaza la
abrazadera-palanca desconectando el circuito liberando con esto la esfera.
El montaje implica ubicar
primero un cable eléctrico de 27cm único por grapas y una abrazadera al cuerpo
de la ballesta, este cable deberá ser soldado a un jack de audio mono hembra (este
puerto será la conexión entre electroimán y ballesta).
El extremo del cable que da
hacia el arco, deberá ser pelado y estañado como se ve en la figura, en sus
puntas se ubicaran las laminas de cobre que actuaran como superficies de
contacto para la abrazadera-palanca, todas
esto se fijará al cuerpo de la ballesta
mediante el palo de maqueta y un tornillo.
Sobre la lamina inferior de
cobre se ubicara la abrazadera estirada uniéndola con un tornillo al cuerpo de
la ballesta, este tornillo debe dar libertad suficiente para que la palanca se mueva
pero con la rigidez necesaria para que esté siempre apegadas a las laminas de
cobre cuando sea necesario. En el extremo izquierdo se ubica un tornillo que
actuará como tope
Parte 4.- Cable conector electroimán + ballesta
Materiales
- 5m de cable
- 4 jack de audio Mono
- Cautín
- Pasta de soldar
- abrazadera
Proceso de construcción
La ballesta y el electroimán
se conectarán mediante un cable que en sus extremos tendrán soldados dos
conectores jack de audio (MONO – no estéreo), tanto la ballesta como el
electroimán tendrán el mismo conector pero hembra. En el caso de la ballesta, el conector hembra debe ser fijado mediante una abrazadera (este conector será parte del sistema de liberación de la bola en caída libre que explicamos en el punto anterior)
Parte 5.- Caja receptora
Materiales:
- Cartón de maqueta
- Mondadientes
- Pegamento líquido
Procedimiento:
1º
Se cortan dos piezas de cartón de 110 x 43 cm.
2º
Se corta una pieza de cartón de 110 x 38 cm.
3º
Se corta una pieza de cartón de 38 x 43 cm.
4º
Las piezas recortadas en el primer paso se colocan perpendicularmente sobre la
pieza recortada en el segundo paso a 4 cm de cada lado, posteriormente por la
parte trasera de la pieza de 110 x 38 cm se insertan mondadientes, atravesando
el cartón y asegurándose que queden al interior de las piezas de 110 x 43 cm,
se deben dejar aproximadamente 1,5 cm de mondadientes afuera del cartón y se
debe hacer un "tope" a cada uno con cinta adhesiva, el fin de esto es
fijar las tres piezas unas con otras. Luego por los bordes donde se unen las
piezas de cartón se coloca pegamento líquido a lo largo, con la finalidad de dar resistencia a éstas.
5º
La pieza de 38 x 43 cm se ubica en la parte superior de la estructura formada
por las piezas anteriores y se adhiere con pegamento líquido.
Montaje del sistema
La caja receptora tendrá la función de
sustentar el electroimán, la esfera de plumavit y contener el dardo que será
disparado por la ballesta.
El electroimán es fijado a un punto medio
de la parte superior del cartón, realizando un orificio en este, con algún
elemento punzante de diámetro similar al tornillo del electroimán, el sistema
será ajustado empleando una tuerca en la parte superior.
Video explicativo:
Este video explica el marco teórico en
el que se sustenta el proyecto, además de una breve explicación de su funcionamiento
y de su ejecución en vivo
Bibliografía:
Alvarenga, B., & Máximo,
A. (2002). Física General con experimentos sencillos. Edit. HARLA, México,
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Flores, C., López, P.,
Valdés, P., Valdebenito, C. (2011). Física Segundo Medio. Editorial
Santillana.
Ramirez, R., Oyarce,
Ismael., Maldonado, J., Córdova M. (2012). Física Tercero Medio. Editorial
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Serway, R. A., & Jewett,
J. W. (2009). Física para ciencias e ingeniería. Cengage learning.
Linkgrafía
Guevara, David, Movimientos
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http://www.geocities.ws/davidfisica/movcomp.html
[Consultado: 30 mayo de 2014]
Peñas, Jesús, Principio de
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http://www.educaplus.org/play-304-Principio-de-Independencia.html
[Consultado: 17 mayo de 2014]
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http://rsta.pucmm.edu.do/tutoriales/fisica/leccion6/6.1.htm [Consultado:
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Robles, Saúl, Movimiento en
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http://robles.mayo.uson.mx/Mecanica/Capitulo4MovimientoEnUnPlano.pdf
[Consultado: 17 mayo de 2014]
