Conservación
27 feb, 2013
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PRESENTACIÓN: Si la resultante de las fuerzas externas que actúa sobre un sistema de partículas es nula, el momento lineal del sistema permanece constante en el tiempo.
- Jeff and the Raccoon, Susan Ramlo, Phys. Teach. 44, 160 (2006)
- Using a Force Plate to Correct Student Misconceptions, Edward P. Wyrembeck, Phys. Teach. 43, 384 (2005)
INTRODUCCIÓN: Este concepto tuvo evolución histórica desde el s. XIV hasta el s. XVII, siglo en el que diversas ideas llegaron hasta Galileo, Descartes y otros físicos, que finalmente definieron con precisión impulso y cantidad de movimiento. La cantidad de movimiento o momento lineal es una magnitud vectorial que se define como el producto de la masa de un cuerpo y su velocidad en un instante determinado. El momento lineal puede considerarse una medida de la dificultad que representa cambiar el estado de movimiento de un objeto (primera ley de Newton). Está relacionado con la fuerza.
OBJETIVO: Comprobar que si el momento se conserva, el cociente de los ángulos formados por el movimiento de dos bolas es inversamente proporcional a la masa de cada una.
MATERIALES: aro, bola de aluminio, bola de hierro, cuchillo.
MONTAJE: Se coloca el aro en una superficie plana lo más uniforme posible. Dentro de él se colocan las dos bolas, de manera que ambas estén en contacto entre sí y con el aro. Por último se coloca el cuchillo de manera que esté en medio de las dos bolas y perpendicular al plano en el que está el aro.
EXPLICACIÓN: Cuando un sistema de fuerzas de resultante no nula actúa sobre una partícula hace que ésta se mueva con aceleración (F=macm). Esa fuerza resultante es igual a la variación del momento lineal con el tiempo.
Sin embargo, si la fuerza externa neta que actúa sobre la partícula es nula, entonces la variación del momento lineal con el tiempo es 0, quedando demostrado, por lo tanto, que el momento lineal de la partícula se conserva.
CONCEPTOS: centro de masas, 2ª Ley de Newton, 3ª Ley de Newton, momento, ley de conservación, impulso.
MÁS INFORMACIÓN:
TEXTOS:
- Tipler P.A. Física. Barcelona: Reverté, 2010.
- De Juana J.M., Física General, Pearson, 2009.
- Serway R.A y J.W.Jewett. Física, Thomson-Paraninfo, 2010.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
ALUMNADO 2011-2012: Jairo Rúa, Sara Regueira, Antonio Larramendi
ENLACE pdf ALUMNADO:
48 responses to "Conservación"
El concepto de momento lineal de un sistema de partículas es uno de los que más les cuesta entender a los alumnos, y con el ejemplo de las bolas de billar es mucho más sencillo que entiendan el significado del concepto de momento lineal así como su conservación. La simulación de la UColorado permite en tiempo real cambiar diversas variables y ver su efecto.
El momento lineal es una de las magnitudes más importantes en la física, pero que resulta muy difícil de comprender por los alumnos. Todo tipo de experimentos con las bolas de billar, fotos de la cámara de burbujas ayudan al alumno a comprender este concepto. Además de este tipo de experimentos existen un montón de simuladores donde puedes modificare el ángulo de choque, la velocidad inicial, la masa. Es interesante que los alumnos lo hagan por ellos mismos y jueguen con las distintas posibilidades.
Otra forma interesante de observar la conservación del momento lineal es utilizar una cuna de Newton. Se trataría, en este caso, de una colisión elástica de cuerpos con la misma masa, de forma que todo el momento lineal del primer cuerpo es transmitido al segundo. En la cuna de Newton, al dejar caer la primera bola, el momento es transmitido a través de las tres bolas intermedias a la quinta bola, que realizará un movimiento de igual velocidad y dirección que la primera. La energía también juega un papel importante…
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La enseñanza de la conservación del momento lineal es uno de los tópicos que puede causar gran confusión dentro los estudiantes y a su vez, dificultad a la hora de explicarlo por los docentes. Por esa razón, es importante realizar diversos enfoques teóricos y experimentales para explicar y demostrar este concepto. El vídeo es un ejemplo claro de un prototipo de bajo costo que permite verificar la conservación del momento lineal, con el fin de utilizarlo para la enseñanza de Física. Como apoyo, adjunto el siguiente vídeo en el que se puede ver una práctica de conservación del momento lineal y de la energía.
Decir que el estudio del momento angular tiene grandes aplicaciones para el estudio de colisiones, explosiones y choques tanto elásticas como inelásticos determinando así las velocidades respectivas tras la colisión o antes de ella. A la hora de plantear problemas para desarrollar esta temática en el aula es importante buscar una temática motivacional, desde la comparación de los mejores goles de la temporada hasta comprobar la velocidad y la dirección a la que salen disparados los trozos de un petardo disparado por ellos mismo.
Vos deixo un enlace dunha viñeta sobre por qué os profesores de física non deben facer gardas de patio pois soen aplicar as leis de Newton para os xogos.
La comprensión del concepto del momento lineal, resulta difícil en muchas ocasiones para los estudiantes.
Aquí os dejo un video con la explicación.
El principio de conservación del momento lineal tiene una importante aplicación en el estudio de fenómenos como choques, explosiones, colisiones, motores a reacción, etc, sin conocer las causas que los originan, siempre que la resultante de las fuerzas exteriores sea nula o prácticamente despreciable, ya que antes del fenómeno y después del fenómeno el momento lineal de todo el sistema:
p(antes)=p(despues)
La conservación del momento lineal explica todo tipo de fenómenos relacionados con la colisión entre objetos. Un ejemplo palpable lo son las colisiones entre vehículos como se ilustra en este vídeo. Todas las leyes relacionadas pueden ayudarnos a comprender cómo minimizar los daños humanos en un caso así, e incluso salvar vidas. Este principio explica también el comportamiento del péndulo de Newton. Otro sencillo experimento puede llevarse a cabo empleando monedas, en el que se observa la conservación de la energía y cómo este fenómeno es acumulable.
Podemos comprobar facilmente el concepto de conservación del momento lineal con estes videos y simulaciones
La simulación de UColorado es fantástica, permite calcular y comprobar, experimentar, tomar medidas y verificar…. Muy buena
Muy buena la simulación de la UColorado, permite obtener datos y comprobar, calcular y comprobar…
El momento lineal es algo que a veces les cuesta ver a los alumnos, aunque normalmente, debido a su experiencia, tienen unas ideas de los que ocurre aunque no saben su explicación. Cuando haces chocar dos pelotas una más pasada que la otra a la misma velocidad, saben que va a ocurrir, pero si la más ligera va mucho más rápido a veces les cuesta entenderlo. Con esta actividad, puede explicarse un concepto que a veces les cuesta entender.
El principio de conservación del momento lineal muchas veces resulta difícil de comprender por los estudiantes, por eso, creo que la explicación de este principio a través de un experimento sencillo podría ser más representativa y facilitar su comprensión. En este otro enlace encontramos un ejemplo sencillo de este principio.
O momento lineal é un deses conceptos difíciles de explicar por ser pouco coñecido no día a día dos alumnos. Sen embargo, este é un concepto clave en física, dado que é unha cantidade que se conserva. É dicir, nun sistema cerrado de obxectos que interactúan entre si, o momento total dese sistema non varía co tempo. Esta cualidade permítenos calcular e predicir que ocorre cando os obxetos que forman parte do sistema chocan uns contra outros. No seguinte enlace adxunto un vídeo que explica o momento lineal.
Esta actividad manipulativa va en línea con otra propuesta en esta misma web donde se habla de las leyes de Newton. Estas leyes se tratan en el bloque de Dinámica del currículo de la materia de Física y Química de 1º de Bachillerato, siendo por tanto este tipo de actividades realmente interesantes para ilustrar conceptos teóricos difíciles de entender a priori. Este tipo de actividades tienen además una función motivadora, ya que el alumnado puede ver que las leyes de Newton en este caso se encuentran en aspectos tan cotidianos como puede ser una partida de billar. La ciencia no es algo que solamente se trate en el aula y se quede en ella, sino que forma parte de la vida, del día a día, y como docentes (o futuros docentes) tenemos el deber que hacer que los alumnos y alumnas aprender a observar la vida científicamente. Las fórmulas o leyes no deben usarse para resolver problemas del libro de texto, sino aplicarse y ser capaces de reconocerlas en el día a día.
Como con muchos otros conceptos de física, se puede realizar en el aula una actividad inicial con los alumnos para conocer sus ideas previas o concepciones alternativas. Una creencia típica es la siguiente: si una bolita está girando y girando en una ruleta y, de repente, se pudiera escapar por su tangente, ¿qué trayectoria recorrería? Muchos alumnos tienden a creer erróneamente que la bolita, ya fuera de la ruleta, se desplazaría en forma de curva, como si conservase el giro imprimido por la ruleta. Este es un ejercicio mental con el que explicar el principio de conservación del momento lineal, ya que la bolita realizará una trayectoria lineal desde el punto en que se desprenda del contacto con la ruleta, en la dirección del vector tangente, y no cambiará su dirección lineal hasta que choque contra otro cuerpo.
Como comenta Sara, el principio de conservación del momento lineal tiene una importante aplicación en el estudio de colisiones y por tanto en la reconstrucción de accidentes de vehículos. La velocidad de los vehículos es, en la mayoría de los casos, de primera importancia y su evaluación es usualmente obtenida mediante el análisis del momento lineal y el análisis de energía. El siguiente documento detalla como se produce la reconstrucción de los accidentes de trafico.
El principio de conservación del momento lineal es una consecuencia del Principio de Acción Reacción o Tercera Ley de Newton. Dicho principio establece que «si la resultante de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo o sistema es nula, su momento lineal permanece constante en el tiempo».
La cuna de Newton, también conocida como péndulo de Newton, ilustra la conservación del momento lineal en ausencia de fuerzas exteriores. Cuando lanzas una de las bolas de los extremos contra las demás, la fuerza es transmitida a través del resto de bolas hasta la bola del extremo contrario. Este proceso se repite, idealmente, de manera indefinida. En la realidad, la fuerzas disipativas hacen que las bolas terminen parándose. Este principio se usa también en el caso del péndulo balístico, el cual se usa para determinar la velocidad de una bala midiendo el ángulo que gira un péndulo después de que la bala se ha incrustado en él. Esto se puede extrapolar a muchos ámbitos de nuestro día a día, sobretodo en el ámbito de la seguridad vial: en una colisión, aunque el vehículo se detenga, los objetos de su interior siguen moviéndose a la misma velocidad que llevaba hasta ese momento el vehículo. Un ejemplo: en un choque el cinturón de seguridad no detiene el cuerpo, sino que éste recibe una acción contraria al movimiento y retrocede hacia el asiento. Aquí os dejo un enlace donde gravan en slow motion los choques de una pelota de tenis y un globo de agua y en éste se hace la demostración con monedas.
La primera Ley de Newton, como se puede leer en otros comentarios, establece que un cuerpo solo varía su velocidad si actúa sobre él una fuerza externa. La inercia es la tendencia de un cuerpo a seguir en el estado que se encuentra. Es decir, un cuerpo no sale por sí mismo de un estado; para que salga del reposo (velocidad nula), es necesario que alguna fuerza actúe sobre él. ¿Por qué te caes cuando frena el autobús? En el siguiente vídeo nos cuentan la respuesta, de una forma muy clara y concisa.
Tanto la experiencia como el simulador son recursos muy interesantes y fáciles de emplear con los alumnos, que les ayudarán a entender las Leyes de Newton más fácilmente.
Muy interesante el experimento y muy fácil de hacer en casa y clase. También este simulador permite probar brevemente como afecta cuando dos cuerpos chocan. Otra manera de comprobar este efecto es con un carrito de la compra y ver como se dificulta su manejo cuanta más compra (masa) se encuentra en el.
Un experimento sencillo de hacer en el aula, considero que es un recurso muy interesante para entender tanto las leyes de Newton como la ley de conservación y el impulso. Se puede observar que, si el momento se conserva, el cociente de los ángulos formados por el movimiento de las bolas es inversamente proporcional a su masa. Dejo un vídeo complementario que explica de manera muy clara el momento lineal y considero que puede servir de ayuda para explicarlo sencillamente a los alumnos.
Para el alumnado que se introduce a la física, experiencias de este tipo pueden ser poco obvias desde un punto de vista teórico, por lo que trasladarlo a su realidad cercana es siempre recomendable. Considero que tras la exposición de una experiencia similar a la ejecutada, se les introduzca a los alumnos en el concepto de fuerza de rozamiento con otra experiencia cercana como puede ser el juego de mesa de hockey cuando se juega con o sin aire inyectado desde su superficie.
Comparto un vídeo que me parece muy interesante para comprender estos conceptos. Cuando era pequeña y jugaba a las canicas no era consciente que todo es física! Jugar a las canicas en el aula me parece divertido e interesante para explicar a los alumnos la cantidad de movimiento.
Es extraño pues estoy segura de que estudié este concepto y seguramente aprobé con nota el examen… sin embargo a veces al ver estos vídeos descubro que no debí interiorizar bien el concepto porque me cuesta volver a entenderlo e incluso me sorprende el resultado del video. Para los dummies como yo cuelgo un video bien clarito.
Este experimento me recuerda a una ocasión que impartí clase de mecánica de fluidos, e hicimos un experimento de conservación de momento lineal para un chorro libre de aire. Este chorro de aire, impactaba sobre una superficie a la que estaba unida un dinamómetro. En el caso que de no hubiese efectos de borde y el rozamiento fuese despreciable, la fuerza medida en el dinamómetro era la misma si el dinamómetro estaba a medio metro de la fuente de aire o a metro y medio. Los alumnos estaban muy desconcertados, y se culpaban los unos a los otros de errores en las mediciones (yo me quedaba callado porque me parecía graciosísimo).
La solución es que F=densidad*caudal de aire/sección de salida del aire, por lo que la distancia del dinamómetro no interviene (siempre que se pueda despreciar el rozamiento)
Recuerdo que este concepto de conservación del momento lineal siempre nos lo explicaban con las bolas de billar, sin embargo, creo que si me hubieran enseñado estos vídeos cuando lo aprendí comprendería mejor el concepto.
Otra forma muy sencilla y útil para explicar el momento lineal y el momento angular. Tal y como comenta Ana, este concepto se suele explicar con las bolas de billar. Trasladar estos conceptos a la realidad, ayuda al alumnado a comprenderlos mejor. Además, el hecho de aprender con ejemplos reales ayuda a interiorizar mejor el conocimiento adquirido. Por otra parte, el uso de experiencias reales provoca que el alumnado se vaya dando cuenta de que muchos aspectos de la vida cotidiana están relacionados con la física, lo cual motivará su aprendizaje en este ámbito de la ciencia. Aquí os dejo otro vídeo en el que se explica este concepto con pelotas de tenis y baloncesto, algo muy fácil de replicar en un aula y que captará la atención de los alumnos y alumnas.
Como comentan muchos compañeros, parece que el “momento” es uno de los conceptos físicos más complejos de explicar y entender en las aulas de secundaria. La verdad es que explicar no lo sé (seguro que si), pero entenderlo me costó un rato… Es con este tipo de conceptos con los que considero que la experimentación y la experiencia práctica debería ser casi “obligados”. Vídeos como este, resultan muy didácticos y sintéticos y pueden servir para refrescar la memoria o para introducir el tema. Sin embargo, si buscamos que los alumnos ENTIENDAN hoy y en adelante lo que se está explicando, experimentos como el que presenta está página (con tan solo un aro, dos bolas y un cuchillo) son sencillos y breves, pero muy valiosos en el aula si se explican y tratan con delicadeza.
Estoy de acuerdo con los comentarios en los que se expone que éste es un concepto difícil de entender, por lo poco intuitivo que resulta. Imagino, por tanto, que debe ser también complicado transmitirlo a los alumnos de una forma asimilable. He estado buscando, y en este enlace que comparto me parece que se refleja de una forma bastante clara la conservación del momento lineal, con ejemplos con las bolas de billar y patinadores sobre hielo.
https://www.youtube.com/watch?v=w2zQJ8JMlBA
¿Un experimento similar sería el de la bola colgada que choca contra otras que están en reposo y se desplaza al última?
Leo algunos comentarios sobre que el momento lineal es fundamental en el estudio de colisiones y demás y recuerdo que cuando me lo enseñaron a mí lo entendí gracias a una serie que veía en la secundaria. En dicha serie, le pronosticaban al protagonista que una roca de 300 kg impactaría con él a gran velocidad. La cuestión era que el protagonista, en ese momento, estaría viajando a casi la misma velocidad y en la misma dirección y sentido, por lo que el impacto en realidad sería mínimo y el momento de la roca se traspasaría a él. No sé si esto puede ayudar a alguien pero me ayudó a mí en su momento.
En mi caso y en su momento, este fue un concepto que me costo bastante comprender y nunca en clase nos plantearon un experimento similar, que viéndolo a día de hoy, estoy seguro me habría facilitado mucho las cosas.
La mecánica es muy importante, y estos conceptos tan a veces complejos de explicar, con este tipo de experimentos es mucho más sencillo. Muchas gracias por estas aportaciones
El volante que poseen los motores y las máquinas es un forma de almacenar el momento angular en forma de inercia. El volante es una pieza totalmente pasiva que solo tiene la finalidad de almacenar energía cinética. El volante es un almacén de energía cinética, logrando de esta forma estabilizar la marcha del motor en revoluciones evitando oscilaciones bruscas.
Este tipo de actividades favorecen la comprensión de estos conceptos, por lo general difíciles de comprender. El momento lineal es de gran importancia porque permite predecir que ocurrirá si objetos que forman parte de un sistema colisionan unos con otros, también si se conoce el resultado de una colisión se puede deducir cual era el estado inicial del sistema. Otros ejemplos con los que podrían estar más familiarizados son: golpear una pelota con una raqueta, un palo de golf o un bate de béisbol. A su vez el principio de conservación del momento lineal es consecuencia del Principio de Acción Reacción (Tercera Ley de Newton). Otra buena forma de ilustrar este principio es la Cuna de Newton. Al lanzar una de las bolas de los extremos contra las demás, la fuerza es transmitida hasta la bola del extremo contrario. Este proceso se repite hasta que las fuerzas disipativas ocasionan que las bolas se paren.
Sin duda es un concepto complejo, ya no solo para alumnos de ESO, si no para cualquier persona que no esté familiarizada con la materia. Por tanto, ser capaz de transmitir visualmente el concepto, de manera clara, experimental, con recursos caseros, y que además nos permite realizar un calculo aproximado para comprobar la realidad, es magnifico. Un experimento muy útil para usar en una sesión de física.
Este concepto de momento lineal de un sistema de partículas es complejo de entender, incluso en niveles superiores a la ESO y Bachillerato. Este experimento es muy útil para explicarlo y facilitar dicha comprensión. Es un experimento que tiene una gran aplicación didáctica.
Experimento extremadamente didáctico, mágoa que na miña época de estudio de estes conceptos, non acompañaran a explicación con este experimento.
El momento líneal y el momento angular a mi parecer es más visible en una partida de billar donde la energía de una bola se traslada a la otra dejando a la primera quieta o cambiando su dirección con menos velocidad debido al traspaso de energía.
El momento lineal se conserva en los sistemas cerrados. En el ejemplo de arriba, las dos bolas parecen tener la misma masa, por eso salen a la misma velocidad. Entonces, ¿hay una ley de conservación de la velocidad? No! Se conserva el momento lineal, solo que a misma masa, misma velocidad (en sentido opuesto). Veamos otro ejemplo de la conservación del momento lineal, con objetos de diferente masa. Proponemos como sistema cerrado el siguiente sistema cotidiano: una persona que está completamente subida a un monopatín. Si esa persona da un paso, no avanzará como si estuviese en tierra firme. Al dar el paso, adquirirá momento lineal en una dirección y el monopatín adquirirá el momento opuesto (recordemos que el momento es un vector). Puesto que una persona pesa unas 50 veces más que un patinete, la persona saldrá con una velocidad 50 veces menor que la del patinete (m1·v1=-m2·v2). Por tanto parece que la persona apenas se mueve hacia adelante (flechita naranja) mientras que el monopatín sale escopeteado hacía detrás (flechaza azul). De hecho el centro de masas del sistema permanece en el mismo sitio. Entonces, ¿por qué cuando caminamos sobre tierra firme, parece que el momento lineal aparece de la nada? Por que empujamos contra la tierra. En este caso es la Tierra la que se mueve muy poco (es inapreciable) y somos nosotros los que salimos disparados.
Un concepto algo complicado que de una forma visual, con esos videos se puede ver bastante bien. Cuando se explique la conservación del momento lineal debería llavarse a clase este tipo de ejemplos para la comprensión del concepto.
Outro experimento que facilita moito a comprensión dun concepto que, cunha explicación exclusivamente teórica, é bastante difícil de entender. Ademais, dende un punto de vista didáctico é moi interesante, xa que se necesitan moi poucos recursos materiais para levalo a cabo.
Buscando un poco más acerca de actividades y/o simuladores para explicar en el aula el concepto de la conservación del momento lineal, encontré esta página en la que hay tanto teoría, como simuladores acerca de otra de las posibles actividades para explicar este concepto, como es la Cuna de Newton, mencionada en alguno de los comentarios anteriores. Me parece interesante compartirla, ya que en ella además de teoría muy bien explicada hay varios simuladores en los que los alumnos/as pueden poner en marcha la actividad modificando ellos mismos parámetros como el desplazamiento, velocidad, fuerza o número de bolas.
Me parece un experimento muy interesante que podría llevar a clase para explicar a mis alumnos la conservación del movimiento lineal. Creo que para ellos sería fácil de entender pudiendo poner ejemplos de nuestro día a día. Además, es una actividad que puede resultarles bastante entretenida. El experimento en si me recuerda a cuando veo patinadores en la tele haciendo piruetas. Usan también la ley física de conservación del movimiento, y hasta cuando un patinador extiende los brazos en el hielo, también está utilizándolas. Además, no es solo algo que se visualice en el laboratorio o simplemente en una demostración artística, sino que también se aplica a cómo se diseñan carros y naves espaciales.
En relación a la conservación del momento angular comparto el siguiente video con vosotros. En este video mediante una esfera de Hoberman se demuestra la conservación del momento angular, ya que como sabemos el momento angular depende de la inercia y la velocidad angular(L=I*w), entonces como observamos al disminuír el momento de inercia( al plegar la esfera Hoberman) la velocidad angular aumenta para conservar el momento angular.
Estas leyes se ven en 1º de Bachillerato en la materia de Física y Química. Es por tanto unos experimentos interesantes y sencillos de realizar para ilustrar conceptos teóricos difíciles de entender. Estas actividades ilustran por ejemplo como se comportan dos cuerpos al chocar, y el alumnado puede ver como las leyes de Newton se cumplen y que se encuentran en nuestro entorno cotidiano. Todos estos conceptos deben de quedar interiorizados y ser capaces de reconocerlos en lo que nos rodea además de despertar en ellos la curiosidad de investigar y animarlos a descubrir mas cosas.