Objetivo: Analiza mediante una simulación, situaciones en que ocurren transformaciones mutuas entre energía potencial gravitatoria y energía cinética, sin considerar el efecto de la fricción y considerándolo.
Cuando las fuerzas de interacción entre los cuerpos son conservativas, se les puede asociar una función -energía potencial- cuya expresión concreta está determinada por la expresión de la fuerza. Uno de los casos más simples, pero de especial interés para los seres humanos, es el de la energía potencial gravitatoria del sistema formado por la Tierra y un cuerpo cerca de su superficie.
Si un sistema de cuerpos está aislado y las fuerzas de interacción entre ellos son conservativas, pueden ocurrir transformaciones entre energía cinética y potencial, pero la energía mecánica total del sistema, o sea, la suma de las energía cinética y potencial, se conserva. Si interviene una fuerza no conservativa, entonces no se conserva.
1. Accede a la dirección:
y selecciona la opción “Friction”. La simulación muestra una pista de forma parabólica y al lado un patinador. En el menú de la derecha mueve el control deslizante de la fricción hasta el extremo izquierdo, para que no haya fuerza de rozamiento entre la pista y el patinador y después sitúa este en algún lugar elevado de la pista.
Una de las fuerzas que actúa sobre el patinador no realiza trabajo y la otra es conservativa, ¿cuáles son esas fuerzas? ¿Se cumple la ley de conservación de la energía mecánica? Explica.
Describe las transformaciones de energía que tienen lugar durante el movimiento del patinador. En el menú de la derecha marca “Bar Graph” y contrasta tu descripción con las variaciones de las barras de energía que aparecen en la parte izquierda. Para observar más fácilmente la relación entre las variaciones de las barras y el movimiento del patinador, mediante las opciones de la parte inferior puedes detener o poner en marcha la simulación, hacer que se mueva paso a paso, lentamente, o normalmente.
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2. En la parte inferior del menú de la derecha hay tres ventanitas con diferentes formas de la pista. Haz clic en la del medio, desliza el control de la fricción hasta el extremo izquierdo y luego marca “Bar Graph” y “Speed”. Coloca al patinador lo más alto que puedas sobre la pista y libéralo. Observa la altura de las barras de energía, y en el reloj de la parte superior lee la velocidad de patinador al salir de la pista. Las divisiones del reloj de velocidad tienen un valor de 1 m/s.
A continuación, mediante el control de masa de la derecha, disminuye al mínimo la masa del patinador. ¿Qué sucede con su energía potencial gravitatoria y su energía cinética al disminuir su masa? ¿Qué sucede con su velocidad al salir de la pista? Argumenta tus respuestas matemáticamente, utilizando las fórmulas correspondientes.
3. En el menú de la derecha marca “Grid”, mide la altura del patinador y, utilizando la ley de conservación de la energía mecánica, calcula la velocidad que tendrá al salir de la pista. Libera al patinador y contrasta el resultado de tu cálculo con el valor de velocidad indicado por el reloj.
4. Desliza el control de la fricción hasta el extremo derecho e imagina que la masa del patinador es 60 kg. Mide la altura del patinador, y su velocidad en el instante que deja la pista y calcula las variaciones de su energía potencial gravitatoria y su energía cinética al desplazarse desde el punto de máxima elevación hasta el punto en que sale de la pista. ¿Se conserva la energía mecánica? ¿Cuánto es la energía mecánica disipada?
La simulación tiene otras muchas opciones que puedes explorar, lo cual dejamos a tu iniciativa.
5. Confecciona un informe del trabajo realizado con las respuestas a las preguntas formuladas y los resultados de las actividades.
