Basado en Tippens 7a edición UPAEP

1. Temas selectos de física I Área propedéutica: Tecnológicas e Ingenierías Temas selectos de física I Área propedéutica: Tecnológicas e Ingenierías

3. Participa y colabora de manera efectiva en equipos diversos.Competencias disciplinares 6.-valora las preconcepciones personales o comunes sobre diversos fenómenos naturales a partir de evidencias científicas. 7.-Explicita las nociones científicas que sustentan los procesos para la solución de problemas cotidianos. 8.- Obtiene, registra y sistematiza la información para responder a preguntas de carácter científico, consultando fuentes relevantes y realizando experimentos pertinentes.

4. Iconografía

5. Mecánica ondulatoria Movimiento armónico simple (MAS) Conceptos fundamentales Amplitud Fase Frecuencia Periodo Tipos de péndulo Simple Compuesto Ley de Hooke Movimiento ondulatorio Características de una onda Tipos de ondas Mecánicas Electromagnéticas Velocidad de una onda Energía de una onda periódica. Principio de superposición Ondas estacionarias Sonido Producción de una onda sonora Rapidez del sonido Ondas sonoras audibles Tono y timbre Interferencia Efecto Doppler Unidad I

7. Participación 15%

8. Actividades 35%

9. Sumativa 45%

10. Examen 40%

11. Portafolio de evidencias 5%

12. Autoevaluación y Coevaluación5%

13. Actividad 1 (35 min) Cuéntame de ti Cada uno de los miembro de la pareja, preguntaran al otro de su aficiones, intereses, el porque de la elección de el área (tecnológicas), etc. (10 min.) Cada uno integrará la información recabada en una cuartilla. (10 min) Tomando como base la cuartilla elaborada, cada integrante presentara al grupo a su compañero. (15 min) Entregar actividad para calificación e integrar a portafolio de evidencias.

14. Revisa el siguiente video http://www.youtube.com/watch?v=Cw9eFeVY74I Investiga que es el Movimiento Armónico simple, identificando sus principales elementos, para ello utiliza el video, libros o revistas especializadas y realiza un documento con los resultados de la investigación. Fecha de entrega 17 de agosto de 2011.

16. Amplitud

17. Periodo

18. FrecuenciaY= A Y= -A

19. Lo anterior nos lleva primero a definir que es un movimiento periódico: Es aquel en el que un cuerpo se mueve de un lado a otro, sobre una trayectoria fija y regresa a su posición y velocidad después de un intervalo de tiempo definido . Por lo que podemos decir que el MAS es un movimiento periódico que ocurre en ausencia de fricción y es producido por una fuerza de restitución directamente proporcional al desplazamiento y tiene una dirección opuesta a éste. Periodo (T): Tiempo en que el cuerpo regresa al punto de partida (realiza una oscilación completa), esto es, para el caso del ejemplo cuando el cuerpo va de +A a –A y regresa a +A. Frecuencia (f): es el número de oscilaciones por unidad de tiempo, que se relaciona con el período por medio de la siguiente relación: 𝑓=1𝑇

24. Si aplicamos la ley de Hooke y la Segunda ley de Newton podremos encontrar una relación entre el estiramiento y la aceleración proporcionada. 𝐹=𝑚𝑎 𝐹=−𝑘𝑥 Que al combinarlos tendremos: 𝑎=−𝑘𝑚𝑥 El signo negativo indica que la aceleración (fuerza de restitución) tiene una dirección opuesta al desplazamiento.

25. Ejemplo: Una bola de acero de 2kg está unida al extremo de una tira plana de metal que está sujeta en su base, como muestra la sig. Figura. Si se requiere una fuerza de 5N para desplazar la bola 3 cm. ¿Cuál será su periodo de oscilación después de soltarla? ¿Cuál será su aceleración máxima?

26. En resumen: 𝑥=𝐴𝑐𝑜𝑠2𝜋𝑓𝑡 𝑣=−2𝜋𝑓𝐴𝑠𝑒𝑛2𝜋𝑓𝑡 𝑎=−4𝜋2𝑓2𝑥 𝑎=−𝑘𝑚𝑥 𝐹=−𝑘𝑥 𝑓=12𝜋−𝑎𝑥 𝑇=2𝜋−𝑥𝑎 𝑓=12𝜋𝑘𝑚 𝑇=2𝜋𝑚𝑘

27. Vea el siguiente video y elabore un trabajo (Mínimo 4 cuartillas) en donde explique el movimiento armónico simple, incluya las expresiones matemáticas necesarias, además, considere aquellas no vistas en clase, incluya conclusiones personales en donde describa lo aprendido además de sus reflexiones sobre el tema. Fecha de entrega (jueves 25)

28. Preguntas: Exponga varios ejemplos de movimiento que se correspondan al MAS Si se duplica la amplitud A de un cuerpo que se mueve con MAS ¿Qué efecto tendrá en (a) el periodo, (b) la velocidad máxima y (c) la aceleración máxima. Una masa m1de 2kg se mueve en MAS con una frecuencia f1, ¿Qué masa m2 hará que el sistema oscile al doble de esa frecuencia? Tarea (personal): Resolver los problemas 14.1, 14.3, 14.5, 14.15, 14.17, 14.19, 14.25, 14.27. Tippens E. Paul, “Física Conceptos y aplicaciones”, séptima edición, Mc Graw Hill, pags. 297-300, Fecha de entrega lunes 30 de agosto Examen Tema Lunes 30 de agosto.

29. Trabajo y energía en el movimiento Armónico Simple Para el caso del oscilador armónico simple tenemos que la energía potencial (Posición) se puede expresar como: 𝑈=12𝑘𝑥2 Y la energía cinética (Movimiento) se expresa 𝐾=12𝑚𝑣2 Y la energía total será 𝐸=12𝑘𝑥2+12𝑚𝑣2

30. El oscilador armónico por su propia característica es un sistema conservativo, lo que nos indica que se cumple la ley de la conservación de la energía que podemos expresar de la siguiente manera: Energía Inicial (Eo) = Energía Final (Ef) 𝑈0+𝐾0=𝑈𝑓+𝐾𝑓 Y sustituyendo las expresiones tenemos: 12𝑘𝑥02+12𝑚𝑣02=12𝑘𝑥𝑓2+12𝑚𝑣𝑓2 Si lo que se desea es calcular la velocidad v de una masa que se mueve con MAS y sin fricción, consideremos un punto cualquiera (x) y un punto en un extremo (A), la masa se moverá del punto A al punto x seleccionado.

31. 12𝑘𝑥2+12𝑚𝑣2=12𝑘𝐴2 Despejando la velocidad tendremos: 𝑣=𝑘𝑚𝐴2−𝑥2 Para el caso de la velocidad máxima (x=0) 𝑣=𝑘𝑚A

32. El péndulo simple Cuando un cuerpo suspendido de una cuerda o varilla oscila de un lado a otro lo hace con un movimiento aproximado al que hemos venido estudiando el Movimiento Armónico Simple. Recuerde: Senϴ ≈ ϴ Siempre que ϴ sea pequeña Analicemos las fuerzas que intervienen para que podamos considerarlo como tal: Consideremos pequeñas oscilaciones (x – L) Con la condición a), los arcos descritos pueden escribirse como: x = Lϴ

33. c) Entonces la fuerza de restitución será (Ley de Hooke): 𝐹=−𝑘𝑥=−𝑘𝐿𝜃 d) En el movimiento del péndulo, la componente de la gravedad proporciona la fuerza de restitución: 𝑭=−𝑚𝑔𝑠𝑒𝑛𝜃

34. Igualando c) y d), considerando a) tenemos: 𝑓=−𝑘𝐿𝜃=−𝑚𝑔𝜃 Despejando 𝐿𝑔=𝑚𝑘 Y sustituyendo en las ecuaciones que tenemos para el período obtenemos una ecuación para el período del péndulo simple 𝑇=2𝜋𝐿𝑔 Observe que el período de oscilación no depende de la masa del objeto ni de la Amplitud de la oscilación, depende únicamente de la longitud (L) de la cuerda o varilla

35. Tarea : Resolver los problemas 14.36, 14.37, 14.38, 14.39. TippensE. Paul, “Física Conceptos y aplicaciones”, séptima edición, Mc Graw Hill, pags. 297-300, Fecha de entrega miércoles 7 de septiembre

37. Presenta algunos ejemplos de ellas.

39. Una onda mecánica es una perturbación física en un medio elástico.

41. Onda longitudinal En una onda longitudinal, la vibración de las partículas individuales es paralela a la dirección de la propagación de la onda

42. Existe otro tipo de onda que no requiere de un medio elástico (onda mecánica) para su transporte, estas ondas se mueven en el espacio y por medio de ellas se transmite por ejemplo el calor, y es conocido como onda electromagnética. ¿Como pueden transportarse en el vacío? Esto es debido a que las ondas electromagnéticas son producidas por las oscilaciones de un campo eléctrico en relación con un campo magnético asociado. Entre sus principales características se encuentra que se propaga a 300,000 Km/s. (velocidad de la luz en el vacío)

43. Onda electromagnética Dependiendo de la longitud de onda, las ondas electromagnéticas se clasifican conforme el espectro electromagnético siguiente:

45. Movimiento ondulatorio periódico Cuando las ondas se repiten periódicamente de manera similar, decimos que tenemos un movimiento ondulatorio periódico. Cuando tenemos un tren de pulsos viajando periódicamente las ondas resultantes estarán formadas por crestas y valles, que se mueven en la dirección de propagación con rapidez constante. La distancia entre dos crestas o valles adyacentes en este tipo de tren de ondas se llama longitud de onda (λ), en general, la distancia entre dos partículas cualesquiera que esten en fase se llama longitud de onda. Nota: Se dice que dos partículas están en fase cuando tienen el mismo desplazamiento y la misma dirección

46. La rapidez de la onda v, se puede expresar en términos de la longitud de onda y el periodo de la siguiente manera 𝑣=𝜆𝑇 Energía de una onda periódica. Consideremos una cuerda atada a la pared y veamos el comportamiento de las partículas individuales de ella.

47. Si nos fijamos en una sola de las partículas del medio, podemos observar que cada una de ellas se mueve con un movimiento armónico simple. El contenido de energía de una onda puede analizarse considerando el movimiento de armónico de las partículas en forma individual. La energía total de una partícula es: 𝐸=𝑈+𝐾=𝐾𝑚𝑎𝑥 =12𝑚𝑣𝑚𝑎𝑥2=12𝑚2𝜋𝑓𝐴2 𝐸=2𝜋2𝑓2𝐴2𝑚

48. A medida que una onda periódica pasa a través de un medio, cada elemento de éste realiza trabajo continuamente sobre los elementos adyacentes. Por lo tanto, la energía que se transmite a lo largo de la cuerda vibrante no se confina a una sola posición, por lo que el contenido de energía total de la cuerda es la suma de las energías individuales de las partículas que la forman. En la ecuación anterior si consideramos que m representa la masa total de la cuerda en lugar de la masa de una sola partícula, dicha ecuación representará entonces la energía total de la onda en la cuerda. En una onda de longitud L, la energía por unidad de longitud está dada por : 𝐸𝐿=2𝜋2𝑓2𝐴2𝑚𝐿 Sea μ la masa por unidad de longitud, entonces la ecuación anterior puede escribirse como: 𝐸𝐿=2𝜋2𝑓2𝐴2𝜇

49. Si suponemos ahora que la onda viaja por la longitud L de una determinada cuerda con una rapidez v, El tiempo necesario para que la onda recorra esta longitud es 𝑡=𝐿𝑣 Si la energía en esta longitud de cuerda se representa por E, la potencia P de la cuerda está dada por: 𝑃=𝐸𝑡=𝐸𝐿/𝑣=𝐸𝐿𝑣 Que representa la razón de propagación de la energía por la cuerda. 𝑃=2𝜋2𝑓2𝐴2𝜇𝑣 La potencia de la onda es directamente proporcional a la energía por unidad de longitud y a la rapidez de propagación de la onda.

51. Ondas estacionarias.Cada equipo realizará una presentación de los temas propuestos, que expondrán por sorteo al grupo, el tiempo de la presentación será de 15 minutos y participaran los dos miembros del equipo en cada exposición (no leer). Dos preguntas del examen serán tomadas de la exposición. Ejercicios: De manera personal resolver los siguientes ejercicios 21.3 – 21.11 y 21.14 – 21.17 Fecha de entrega de ambos trabajos lunes 19 de septiembre.

52. Sonido El sonido es una onda mecánica longitudinal que se propaga en un medio elástico. La rapidez del sonido puede medirse directamente determinando el tiempo que les toma a las ondas moverse a través de una distancia conocida. En el aire, a 0° C, el sonido viaja a una rapidez de 331 m/s (1087 pie/s). Considerando que la rapidez de una onda depende de la elasticidad del medio y de la inercia de las partículas, los materiales más elásticos permiten mayores velocidades de onda, mientras que los materiales más densos retardan el movimiento ondulatorio. La rapidez del sonido en medios diversos puede medirse por las siguientes expresiones:

54. Ejemplos (tippens) Calcule la rapidez del sonido en una varilla de aluminio, (módulo de Young y densidad del aluminio son : Y = 6.68x1010 N/M y ρ=2.7 g/cm3 Calcule la rapidez del sonido en el aire en un día en que la temperatura es de 27° C. La masa molecular del aire es de 29 y la constante adiabática es 1.4. Cual es la rapidez del sonido en el aire a temperatura ambiente (20 °C)

55. Ondas sonoras audibles No todas las ondas mecánicas son capaces de afectar el sentido del oido. En cuanto al espectro audible podemos dividir al sonido en tres intervalos de frecuencias: Infrasónico Sonido audible ultrasónico Fuerza (volumen) Intensidad Características Tono Frecuencia Timbre (calidad) Forma de la onda Las características de la derecha son sensoriales por lo que son subjetivas y las de la derecha son físicas por lo que son mesurables y objetivas.

56. Intensidad de la onda sonora.- Es la potencia transferida por una onda sonora a través de la unidad de área normal a la dirección de propagación. 𝐼=𝑃𝐴 𝐼=𝑃𝐴=𝑊𝑚2 Otra unidad utilizada es el 1𝜇𝑊𝑐𝑚2=1𝑋10−2𝑊𝑚2 La intensidad del Io del sonido audible apenas perceptible es del orden de 10-12 W/m2, que es conocido como umbral auditivo.

57. 𝐼0=1𝑋10−12𝑊𝑚2=1𝑋10−10𝜇𝑊𝑐𝑚2 El extremo superior, conocido como umbral de dolor, representa el punto en el que la intensidad es intolerable para el oído humano. El umbral del dolor representa la intensidad máxima que el oído promedio puede registrar son sentir dolor. Su valor es: 𝐼𝑃=1𝑊𝑚2=100𝜇𝑊𝑐𝑚2 Tomando en cuenta que la amplitud del rango es muy grande se utiliza una escala logarítmica para expresar la intensidad de la onda sonora y se sigue conforme lo siguiente: Cuando la intensidad de I1 de un sonido es 10 veces mayor que la intensidad I2 de otro, se dice que la relacion de intensidades es de 1 bel (B)

58. Y la diferencia entre niveles de intensidad esta dada por ( I1 > I2 ): 𝐵=log𝐼1𝐼2 Por ejemplo: Dos ondas sonoras tienen intensidades de 2.5X10-8 W/m2 y 1.2W/m2. Calcule la diferencia en niveles de intensidad en Beles.

59. Para evitar el manejo de grandes unidades lo que se maneja en la práctica es el decibel (dB) en lugar del bel (B). Además, si utilizamos la intensidad I0 como patrón de comparación, es posible establecer una escala general para valorar cualquier sonido, la expresión para calcular el valor de la intensidad I de cualquier sonido es (expresada en decibelios (dB): 𝛽=10log𝐼𝐼0 Ejemplo: Calcule el nivel de intensidad de un sonido cuya intensidad es de 1X10-4 W/m2.

60. Algunos sonidos del Espectro auditivo