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Una mirada real de la Física a través de la virtualidad

Publicado: Lun, 14/11/2016 - 00:00

Estudio del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado.

 

Autor

Jaqueline Jiménez Forero
Profesora Gimnasio Campestre
 

Resumen

La cinemática se define como una rama de la mecá- nica que estudia el movimiento de un cuerpo o siste- ma sin tener en cuenta la masa o las fuerzas que actúan sobre él1.  En la naturaleza se presentan diversos movimientos que pueden ser clasificados de acuerdo con la trayectoria que describen o de acuerdo con el comportamiento de la velocidad con la que se mueven. Uno de ellos es el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado que indica que su trayectoria se da en una línea recta y que su aceleración es constante.  El siguiente artículo muestra una experiencia de aula desarrollada en grado décimo utilizando una herramienta virtual y que busca que los estudiantes identifiquen las características más importantes del movimiento de una partícula cuando describe el movimiento mencionado anteriormente.

Introducción

Las nuevas tecnologías de información y comunicación han puesto en manos de los estudiantes un am- plísimo campo de datos al que fácilmente acceden y del que pueden disponer todo el tiempo. Por otro lado, siendo la misión principal de un educador diseñar y ejecutar estrategias que le permitan al alumno construir su propio conocimiento,  es aquí en donde es posible a través de las nuevas tecnologías, específicamente los laboratorios virtuales, potenciar sus capacidades de aprendizaje.

Los laboratorios virtuales se han convertido en una herramienta didáctica en la enseñanza de las ciencias.  Actualmente tanto las universidades como las instituciones escolares recurren a los recursos que se encuentran en Internet para seleccionar y adecuar algunas prácticas virtuales que pueden facilitar el proceso de consolidación de conceptos y fundamentos científicos; así mismo fortalecer la independencia, la creatividad, la capacidad de análisis y de inferencias a partir de resultados experimentales, el desarrollo de habilidades y la autonomía en los estudiantes.

Materiales y métodos

Los planes de estudio propuestos por el Departamento de Ciencias Naturales y Educación Ambiental del Gimnasio Campestre para desarrollar desde prekinder hasta grado once se elaboraron en términos de los procesos de pensamiento que se pretende desarrollar y fortalecer en nuestros estudiantes. Algunos de estos procesos se refieren a la exploración y observación, así como a la planeación, medición y registro de datos; procesos que pueden ser abordados a par- tir de las prácticas de laboratorio.

Las prácticas de laboratorio son parte del proceso enseñanza-aprendizaje y se han convertido en el principal escenario para poner en práctica los métodos de la investigación científica, además de facilitar que los estudiantes amplíen, profundicen, consoliden, generalicen y comprueben los fundamentos teóricos de la ciencia. Además, las prácticas de laboratorio tienen un valor agregado ya que no solamente tienen una función académica, sino que simultáneamente están desarrollando actitudes y aptitudes personales y sociales a través del trabajo en equipo y de la investigación.

Por otro lado, para el desarrollo del plan de estudios de Física en grado décimo del Gimnasio Campestre se recurre a temáticas relacionadas con la cinemática y la dinámica del movimiento.  Una de las prácticas virtuales realizadas en este curso corresponde al estudio del movimiento rectilíneo uniformemente acelerado. Para la realización de la experiencia de aula que se va a describir, inicialmente se hizo una introducción al tema en donde se destacaron las características más importantes de dicho movimiento tanto a nivel gráfico como a nivel analítico. Posteriormente se desarrolló la práctica virtual en la sala de informá- tica del colegio para finalmente elaborar el informe de laboratorio.

Durante la realización del laboratorio virtual se entregó a los estudiantes una guía de orientación para el registro de datos. Dentro de los aspectos más impor- tantes de esta guía están el objetivo general que en este caso pretende caracterizar el movimiento descrito por un cuerpo que viaja sobre una trayectoria rectilínea y con velocidad variable. Además aparecen las instrucciones necesarias para ingresar a la simu- lación, estas son:

Ingresar a la página virtual www.sc.ehu.es/sbweb/fisica Hacer click en Índice de páginas Web y dentro del área de cinemática ingresar a la experiencia titulada “Estudio práctico del Movimiento Rectilíneo Uniformemente Acelerado”.

Realizar la lectura que describe la experiencia para luego registrar la posición (cm) y el tiempo(s) en 4 situaciones diferentes variando el tamaño de la pesa que cuelga de la cuerda.

La práctica que se propone en la página indicada con- siste en efectuar con el cronómetro las medidas del tiempo empleados por un carrito que es halado por una cuerda que por el otro extremo sostiene una pesa que puede ser variada, colocando la segunda flecha a 5, 10, 15, 20, 25, etc. cm del origen y se anotan en la tabla tiempo-desplazamiento. (Ver gráfica 1).

Gráfica 1. simulación de los tiempos empleados por un carro halado por una cuerda.

Resultados y análisis de datos y gráficas

Para obtener los datos de las 4 situaciones diferen- tes, la simulación ofrece la posibilidad de variar la pesa que cuelga de la polea para modificar los tiempos em- pleados en alcanzar cada una de las posiciones.

Al empezar la simulación con la pesa de menor masa, los tiempos que arroja el sistema para cada uno de los desplazamientos aparecen en la tabla 1.

Tabla 1. Datos correspondientes a tiempo y distancia en el experimento virtual.

Figura 2. El desplazamiento efectuado por el cuerpo es función del cuadrado del tiempo.

Los datos obtenidos se representan en un plano cartesiano y la gráfica que se obtiene es la siguiente: (Ver figura 2).

Como podemos observar en la gráfica obtenida, el desplazamiento efectuado por el cuerpo es función del cuadrado del tiempo ya que lo que se obtuvo es una semiparábola. Matemáticamente puede escribir se la relación entre estas dos magnitudes así:

d = Kt2

En donde K es la constante de proporcionalidad que las relaciona.

Por otro lado, a partir de los datos obtenidos y de las ecuaciones que modelan el movimiento rectilíneo uniformemente acelerado, se obtiene la tabla tiempo – velocidad. –La ecuación que en este caso utilizamos es:

En donde x corresponde a la posición final y x1 es la posición inicial. Así mismo, t1 y t2 son los tiempos inicial y final para cada uno de los intervalos analiza- dos. La relación entre estas dos magnitudes corresponde a los valores de velocidad para cada uno de los intervalos estudiados, que en este caso se la asignamos a. (t1 +t2) / 2

Así se obtienen los siguientes valores: (tabla 2)

Tabla 2: Datos obtenidos durante la simulación.

Figura 3. La velocidad de un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado es directamente proporcional al tiempo.

Al graficar estos valores en un plano cartesiano obtenemos: (Ver figura 3).

Como la gráfica de puntos que se obtiene es una aproximación a una línea recta, lo que quiere decir que la velocidad en un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado es directamente proporcional al tiempo, se puede aplicar el procedimiento de la regresión lineal a una tabla de datos tiempo-velocidad.

Al representar en un plano cartesiano los anteriores datos, el programa traza los puntos experimentales, la recta de ajuste utilizando la regresión lineal, y calcula el valor de la pendiente a (aceleración) y de la ordenada en el origen b (velocidad inicial), así como los errores de a y de b.( Ver figura 4).

Figura 4. Ajuste de los datos experimentales.

Así es posible encontrar la ecuación de la recta para este caso específico. Sabiendo que una recta se puede representar por la ecuación y=mx + b en donde m es la pendiente y b es el punto de corte de la recta con el eje y, podría escribirse:

v = 2.71t - 3.50 

La anterior ecuación nos describe el comportamiento de la velocidad para el cuerpo en estudio. A partir del análisis dimensional de los términos que componen dicha ecuación, podemos afirmar que 2.71 corresponde a la aceleración del cuerpo pues su unidad es m/ s2  y que -3.50 corresponde a la velocidad inicial ya que su unidad es m/s.  Generalizando podemos escribir:

vf = a.t. + vi

De acuerdo con los resultados obtenidos en la práctica, los estudiantes lograron  establecer las características que identifican a un movimiento rectilíneo uniformemente acelerado y las expresaron como conclusiones. Dentro de las cualidades que mencionaron aparecen: 

La gráfica que representa el desplazamiento en función del tiempo para un cuerpo que se mueve con aceleración uniforme es una semiparábola.

El desplazamiento realizado por un cuerpo que se mueve con aceleración uniforme es directa- mente proporcional al cuadrado del tiempo. Esto lo dedujeron a partir del análisis de la gráfica que representa dichas magnitudes.

La gráfica que representa la velocidad en función del tiempo para este tipo de movimiento es una línea recta.

La pendiente de la recta obtenida en la gráfica velocidad en función del tiempo, significa físicamente la aceleración.

Entre mayor pendiente tenga la gráfica velocidad – tiempo significa que el cambio de velocidad respecto al tiempo es también mayor; lo que implica que la magnitud de la aceleración es mayor.

A partir de los puntos que se ubican en la gráfica velocidad – tiempo, puede afirmarse que en la medición hubo error porque la curva obteni- da no fue perfecta por lo que fue necesario aplicar la regresión lineal para ajustar estos puntos a la ecuación de una recta.

Cuando un cuerpo describe un movimiento en una trayectoria rectilínea y su velocidad cambia proporcionalmente con el tiempo, significa que la aceleración es constante.

De lo anterior y teniendo en cuenta la generalidad de las conclusiones que proponen los estudiantes y el objetivo planteado para la realización de la práctica, se puede afirmar que este último se cumplió en forma total ya que lograron identificar las características físicas que describen al movimiento que realiza  un objeto o partícula cuando este viaja con una aceleración constante. Por otro lado, es importante destacar que la realización de esta práctica les permitió a los estudiantes la utilización de herramientas informáticas y estadísticas, a partir de la realización de gráficas en Excel y de procedimientos para la aplicación de la regresión lineal, respectivamente.

Conclusión

Mediante la realización de este tipo de actividades se han podido identificar algunas fortalezas que ofrecen estos programas. Entre las más importantes se pueden destacar:

  • Mediante la simulación, el estudiante puede inicialmente describir de una manera intuitiva el comportamiento del sistema real.
  • Permite la manipulación de variables incidentes en los distintos procesos experimentales propios de la asignatura.
  • Desarrolla destrezas en cuanto al  tratamiento estadístico de datos.
  • Complementa las inferencias que se realizan a partir de la teoría.(Aula – Laboratorio Real) Destaca el proceso: Observación – Medición – Análisis – Conclusiones.
  • Puede ser utilizado como introducción, durante o al finalizar el tema.
  • Permite la representación de fenómenos/eventos que por su complejidad son imposibles de reproducir en el laboratorio real.
  • Se evidencia la relación ciencia - tecnología Para su aplicación se requiere de un enfoque pedagógico adecuado.

Conclusión

Wilson, J y  Buffa, A.  Física Quinta edición. Editorial Prentice Hall

Aristizabal, D & Restrepo R. 2006 Enseñanza de la física con material interactivo.  Revista de Educación en Ciencias 7,18 -20

Franco, A., El curso interactivo de física en Internet, disponible en: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/

Crespo, J., Álvarez T. & Bernaza G. Las prácticas de laboratorio en la enseñanza de la física, disponible en: http://www.monografias.com/trabajos29/practicas-laboratorio/prac-ticas-laboratorio.shtml

Alfonso, C., 2004 Material didáctico computarizado “Prácticas de laboratorio de física”,  Revista de educación en Ciencias, 5, 109-111 

Este documento fue tomado de www.revistaelastrolabio.com

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