Las Fuerzas y la Energía: Su Didáctica, Universidad de Burgos

UNIVERSIDAD DE BURGOS

Departamento de Didácticas Específicas

CIENCIAS DE LA NATURALEZA Y SU DIDÁCTICA I CURSO 2023 -2024

TEMA 3. LAS FUERZAS Y LA ENERGÍA: SU DIDÁCTICA

ÍNDICE

1. LAS FUERZAS Y SU DIDÁCTICA 3

1.1 Introducción 3 1.2 Qué es una fuerza 3 1.3 La fuerza es una magnitud vectorial 5 1.4 Efectos de las fuerzas 7 1.5 Medida de la fuerza 8 1.6 Clases o tipos de fuerzas 11 1.6.1 Fuerzas de contacto 11 a) Fuerza de tirar, empujar y arrastrar 11 b) Fuerza de choque 11 c) Fuerza elástica 11 d) Fuerza de empuje 12 e) Fuerza normal 12 f) Tensión 13 g) Fuerza de fricción o rozamiento 14 1.6.2 Fuerzas a distancia 15 A) Fuerza magnética 15 B) Fuerza eléctrica 18 C) Fuerza gravitatoria 21

1. LA ENERGIA Y SU DIDÁCTICA

2.1 Introducción 24 2.2 Definición de energía 25 2.3 Formas de energía 28 2.3.1 Energía cinética 29 2.3.2 Energía potencial gravitatoria 32 1UNIVERSIDAD DE BURGOS Departamento de Didácticas Específicas CIENCIAS DE LA NATURALEZA Y SU DIDÁCTICA I CURSO 2023 -2024 2.3.3 Energía interna 33 2.3.4 Los alimentos, sustancias con gran energía interna por unidad de masa 36 2.4 Cualidades de la energía 37 2.4.1 Transferencia de energía 37 2.4.2 Transformación de la energía 38 2.4.3 Principio de conservación de la energía 43 2.4.4 Degradación de la energía 44 2.4.5 Diagrama de flechas para representar las transformaciones de energía 47 2.5 Rendimiento de una máquina o proceso tecnológico 49 2.6 Tipos de centrales eléctricas 49 2.6.1Centrales hidroeléctricas 49 2.6.2 Centrales térmicas 50 a) Térmicas clásicas 50 b) Térmicas biomasa 51 c) Nucleares 51 d) Termosolares 52 e) Incineración de residuos sólidos urbanos 52 f) Geotérmicas 53 2.6.3 Centrales eólicas 53 2.6.4 Centrales mareomotrices 54 2.6.5 Centrales fotovoltaicas 54 2.7 Transferencias de energía: el calor. Los sistemas materiales a mayor temperatura ceden energía a otros a menor temperatura 55 2

LAS FUERZAS Y SU DIDÁCTICA

Introducción a la Didáctica de las Fuerzas

Los principios de la mecánica clásica constituyen un instrumento de análisis muy potente que permite la interpretación de situaciones muy diversas, desde las más cotidianas y próximas a nuestra experiencia, como el movimiento de los cuerpos en la superficie de la Tierra hasta la explicación de la estabilidad de los sistemas planetarios y otras estructuras celestes. Además de interpretar el movimiento observado de los cuerpos, la mecánica clásica permite predecir cómo será el movimiento de un cuerpo si conocemos las condiciones iniciales y las fuerzas que actuarán sobre el cuerpo en cada momento. Como sabemos, la mecánica clásica está basada en la relación conceptual entre fuerza y variación del movimiento y en las interacciones gravitatorias y electromagnéticas, descritas mediante las correspondientes leyes, como el origen de todas las fuerzas.

Entre las ideas previas que tienen los alumnos antes de la enseñanza, quizás sean las más persistentes aquellas que se refieren a la interpretación del movimiento y más concretamente, a la relación entre la fuerza y el movimiento. Esto no es sorprendente pues son ideas que ellos mismos han creado para explicar múltiples experiencias cotidianas y que les permiten explicar las observaciones que hacen. Así, considerar que es necesario una fuerza que actúe sobre el cuerpo en la misma dirección en el que este se mueve, es una idea que mantienen la mayoría de los alumnos al comenzar sus estudios y, lo que resulta más grave, sigue estando vigente en su pensamiento aún después de varios años de estudio de la dinámica newtoniana, tal como han mostrado numerosas investigaciones didácticas. También se ha puesto de manifiesto que, si se plantea la enseñanza atendiendo a esas dificultades, un porcentaje elevado de alumnos pone en tela de juicio sus propias ideas y puede llegar a experimentar un verdadero cambio conceptual, en el que sustituyan las ideas previas por otras más acordes con las ideas científicas que se pretende que aprendan. Sin embargo, debemos ser conscientes de la dificultad que tiene conseguir ese cambio en el campo de la dinámica, siendo conveniente insistir sobre el mismo a lo largo de varios cursos, proponiendo situaciones diversas que permitan a los alumnos afianzar las ideas científicas frente a las intuitivas que pueden tener. Aunque no se consiga completamente el cambio conceptual en el primer curso, el hecho de poner a los alumnos en situación de confrontar sus propias ideas con las científicas puede tener ya un efecto benéfico, pues puede utilizarse para ayudarles a comprender las diferencias que hay entre el pensamiento natural, espontáneo, y pensamiento científico.

Definición de Fuerza

La fuerza es un concepto difícil de definir, pero muy conocido. Sin que nos digan lo que es la fuerza podemos intuir su significado a través de la experiencia diaria.

Si seguimos una metodología didáctica constructivista en el aula, podemos comenzar el tema haciendo que el alumno haga explícita su idea del significado del término fuerza. Eso lo podemos hacer con actividades de diverso tipo, por ejemplo:

• ¿Crees que un elefante tiene mucha fuerza? ¿ Cómo podría saberse la fuerza que tiene un elefante?
• Indica si estás de acuerdo con las siguientes frases. En caso de desacuerdo escribe una frase que sea más correcta para ti. b.1) Una bala tiene mucha fuerza cuando ha sido disparada. b.2) Un muelle tiene mucha fuerza cuando está comprimido.

Actividades de este tipo permite que el alumno manifieste su idea de que algunos cuerpos tienen fuerza. Efectivamente, en el lenguaje popular sería muy normal decir que los elefantes son animales con mucha fuerza, por lo que es fácil admitir que esa expresión es correcta. Igual comentario podemos hacer sobre las frases b.1 y b.2.

Sin embargo, planteamos también una pregunta para poner de manifiesto que no es posible saber si un cuerpo tiene fuerza a no ser que interaccione con otro cuerpo. Sabemos que un elefante tiene mucha fuerza porque es capaz de elevar cuerpos muy pesados, porque puede arrastrar cuerpos grandes y pesados, porque puede destrozar cualquier cuerpo si lo pisa, etc. En definitiva, sabemos que un elefante tiene fuerza a través de la interacción con otro cuerpo. No sería posible saber si tiene o no fuerza fijándose exclusivamente en él.

Conviene reflexionar sobre la diferencia entre el lenguaje científico (preciso) y el cotidiano (que puede ser más ambiguo). En la puesta en común podemos comentar a los alumnos que dado que no se puede saber si un cuerpo tiene fuerza fijándonos exclusivamente en el cuerpo, en el lenguaje científico no se dice que un cuerpo tiene fuerza, sino que un cuerpo hace fuerza sobre otro, o ejerce una fuerza sobre el otro.

Debe quedar claro que no se trata de sustituir el lenguaje cotidiano por el lenguaje científico, sino de saber en qué situación debe usarse cada uno.

Se les debe dar una alternativa para las expresiones que se utilizan en el lenguaje cotidiano, ya que efectivamente el elefante, la bala o el muelle tienen cierta propiedad en sí mismos que no tienen otros cuerpos. Se puede decir que tienen energía, o que la bala tiene una velocidad elevada, o si nos referimos a la fuerza, podemos decir que el muelle puede hacer una fuerza grande sobre el cuerpo al que se aplique. Se le comentará al alumno que en ciencia cada palabra tiene un significado preciso que debemos conocer para usarlo correctamente cuando sea necesario.

Podría comentarse, si el profesor lo estima conveniente, cómo debemos interpretar expresiones que en el lenguaje cotidiano son muy comunes y entendidas por todos. Así, decimos que una persona es más fuerte que otra, o que un toro tiene más fuerza que un caballo. La "traducción científica, de esas expresiones sería decir que una persona puede hacer más fuerza que otra sin "romperse", es decir, que por su propia estructura de músculos y huesos puede soportar una fuerza mayor (por ejemplo, la que las pesas de la figura ejerce sobre el atleta) sin que su estructura se rompa. Para hacerlo más claro nos podemos referir a qué se interpreta cuando decimos que una cadena o un candado son muy fuertes; en este caso, nadie interpreta que la cadena o el 4UNIVERSIDAD DE BURGOS Departamento de Didácticas Específicas CIENCIAS DE LA NATURALEZA Y SU DIDÁCTICA I CURSO 2023 -2024 candado tengan mucha fuerza, y todos entendemos que nos referimos a que la cadena o el candado pueden soportar fuerzas grandes sin romperse.

Podemos definir una fuerza como algo que cuando interacciona (o actúa) sobre un cuerpo, de cierta masa, le provoca un efecto. Por ejemplo, al levantar pesas, al golpear una pelota con la cabeza o con el pie, al empujar algún cuerpo sólido, al tirar una locomotora de los vagones, al realizar un esfuerzo muscular al empujar algo, etcétera siempre hay un efecto.

Para que exista una fuerza es necesaria la presencia de dos cuerpos que interaccionen entre sí. Por ejemplo, una jugadora de futbol ejerce una fuerza sobre el balón y a su vez el balón ejerce una fuerza sobre ella. Dicho de otra manera, si se observa que sobre un cuerpo actúa una fuerza, entonces se puede decir que, en algún lugar, hay otro u otros cuerpos que constituyen el origen de esa fuerza.

Un cuerpo no puede ejercer fuerza sobre sí mismo. Si se necesita que actúe una fuerza sobre mi persona, tendré que buscar algún otro cuerpo que ejerza una fuerza, porque no existe ninguna forma de que un objeto ejerza fuerza sobre sí mismo (yo no puedo empujarme, una pelota no puede "golpearse" a sí misma).

Los efectos de la aplicación de una fuerza sobre un objeto (o cuerpo) pueden ser:

a. modificación del estado de reposo o movimiento en que se encuentra el objeto que la recibe b. modificación de su aspecto físico: deformación, rotura.

También pueden ocurrir los dos efectos en forma simultánea. Como sucede, por ejemplo, cuando alguien golpea una lata de bebida, la lata puede adquirir movimiento y también puede deformarse.

Si tenemos en cuenta estos efectos que son producidos por una fuerza, podemos definirla del siguiente modo:

Fuerza es toda acción capaz de producir cambios en el movimiento o en la estructura de un cuerpo

La Fuerza como Magnitud Vectorial

El carácter vectorial es un rasgo distintivo de la magnitud fuerza. Además de su importancia para poder construir un concepto amplio y completo de fuerza, el carácter vectorial de la fuerza puede ser utilizado didácticamente para diferenciar los conceptos fuerza y energía.

Para representar la fuerza se emplean vectores. El vector fuerza (F), al igual que el resto de los vectores es un ente matemático que se caracterizan por poseer un módulo o cantidad numérica, una dirección (línea recta en la que se ejerce la fuerza) y un sentido (hacia un lado u otro de la recta). Se representa mediante una flecha, cuya longitud es proporcional al módulo o intensidad de la fuerza, y cuya orientación indica la dirección y sentido (punta de la flecha) de la fuerza. 5