TEMA 5: LOS MECANISMOS

DEFINICIÓN: "Conjunto de las partes de una máquina en su disposición adecuada que se mueven entre sí". Distinguimos:
A. Mecanismos de transmisión del movimiento. Ej: Bicicleta.
B. Mecanismos de transformación del movimiento. Ej: Llave inglesa.
C. Mecanismos de retención.

A. Mecanismos de transmisión del movimiento.
- De transmisión lineal: Palanca.
- De transmisión circular: Ruedas de fricción y engranajes. Correas y cadenas.

LA PALANCA.
Barra inflexible que se apoya y puede girar sobre un punto de apoyo o fulcro que sirve para transmitir la fuerza.
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Distinguimos: Brazo de la palanca (en el que aplicamos la fuerza), brazo de resistencia (donde se encuentra el peso a mover), potencia (fuerza a aplicar) y resistencia (peso a mover)

RUEDAS DE FRICCIÓN.
Dos o más ruedas en contacto. Cuando una gira por el rozamiento, la que está en contacto gira también.

ENGRANAJES:
Son unos mecanismos formados por dos ruedas dentadas en su parte exterior que encajan entre sí. Ejemplo: maquinaria de reloj.

CADENAS: se utilizan en ruedas dentadas para transmitir el movimiento.
CORREAS: Suelen ser de un material de alto rozamiento (goma).

B. TRANSFORMACIÓN DEL MOVIMIENTO.
Permiten variar la naturaleza del movimiento.
* POLEA: Rueda acanalada y móvil alrededor de su eje. Por el canal o garganta pasa una cuerda o cadena. Disntinguimos dos brazos: el de la resistencia y el de la potencia.
Recibe otros nombres: garrucha, carrucha, trocha, trócola, carrillo.
Polipastos: Combinación de poleas que hacen que esfuerzos pequeños levanten grandes pesos.

* OTROS:
- Torno. Ej. Pozo.
- Tornillo-tuerca: Llaves inglesas.
- Piñón-cremallera: taladro en columna, sacacorchos.
- Leva: En motores de combustión.
- Cigueñal: Convierten movimientos rectilíneos en circulares y viceversa.
- Biela-manivela.  Ejemplo: Pedal de bicicleta.

ACTIVIDAD: Crea una entrada en el blog con los distintos mecanismos explicando su funcionamiento.

TRABAJO: Realiza un monográfico a entregar en pdf sobre "LOS RELOJES EN LA HISTORIA" en el que investigues los distintos tipos de relojes y su evolución haciendo hincapié en sus mecanismos.

TEMA 4: LAS ESTRUCTURAS

Desde siempre el hombre ha copiado a la naturaleza (biónica). Piensa en ejemplos como el submarino o la red que utilizan los pescadores.

Definición: "Conjunto de elementos simples unidos entre sí que es capaz de soportar un peso muchísimas veces superior al peso de la misma estructura". Una estructura:
- Ser simple.
- Soportar mucho peso.
- Ser de poco peso.
- No debe tener un precio muy elevado.
Piensa en 10 elementos de tu alrededor que cumplan esas condiciones y sean estructuras, por ejemplo: una silla.

ESTRUCTURAS Y ESFUERZOS
Se define fuerza como la causa que actúa sobre los cuerpos y puede tener sobre ellos efectos dinámicos (cambiar el estado de movimiento) o estático (deformarlos). Los esfuerzos son fuerzas que actúan sobre las estructuras. TIPOS:
1. Esfuerzos de compresión. Consisten en un par de fuerzas con dirección y sentido hacia el centro de una pieza (p. ej, una viga) que intenta disminuir su longitud.
2. Esfuerzos de tracción. El par de fuerza actúan en los extremos de la pieza tratando de alargarla.
Ej: cuando se tira de ambos extremos de una cuerda.
3. Esfuerzos de flexión: Una fuerza perpendicular que se aplica a un elemento horizontal y rígido apoyado en sus extremos .. Ej: lo que ocurre cuando andamos sobre vigas.
4. Esfuerzos de torsión. Esfuerzo de giro en sentidos contrarios al sujetar el objeto por sus extremos. Ej: Piensa en como es la fuerza que realizas cuando quieres exprimir un paño mojado.
5. Esfuerzos de cizalladura. Dos fuerzas opuestas pero iguales y paralelas actúan sobre el objeto. Ej: Tijeras.

ELEMENTOS DE UNA ESTRUCTURA.
Pueden ser:
1. ELÁSTICOS. Pueden doblarse o estirarse. Resisten a los esfuerzos sin romperse.
Ejemplo: los tirantes de un puente, los tirantes de una tienda de campaña...

2. RÍGIDOS. Resisten a los esfuerzos sin variar su forma, sin deformarse ni doblarse apenas.
Ejemplos:
a) Elementos rígidos lineales: horizontales (vigas) o verticales (pilares o columnas).
b) Elementos rígidos superficiales: son elementos verticales como los forjados (suelo y techos) o que cierran estructuras como los muros o tabiques.

ACTIVIDAD: Localiza en Internet distintos puentes colgantes y crea una entrada en tu blog donde aparezca sus imágenes y una ficha (tabla) donde anotes lugar, fecha, longitud, altura, o cualquier otro dato de interés.

ESTRUCTURAS IMPORTANTES EN ARQUITECTURA:

* TRIANGULACIÓN DE ESTRUCTURAS.
La estructura triangulada se compone de triángulos. El triángulo es el polígono más simple e indeformable.
Imagen; Mejor dos triángulos que un cuadrado.
Son muy frecuentes en torres de alta tansión, patas de silla, puentes, etc.
* PERFILES:
- Es la forma que tiene la barra de una estructura vista lateralmente o de perfil.
- Existen distintos tipos: en forma de L, de doble T, circulares o tubulares.
- Soportan muchísimo peso y abaratan las construcciones.

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* ARCOS, BÓVEDAS Y CÚPULAS.

Soportan peso en estructuras arquitectónicas.
- ARCOS: Se emplean desde hace más de 2500 años. Existen distintos tipos: de medio punto, ojival, de herradura...
- BÓVEDAS: Techos curvos que soportan el peso de las cubiertas y lo descargan sobre los muros laterales.
Ej: interior de una iglesia.
- CÚPULAS: Techos semiesféricos muy difíciles de construir. Ejemplo: Catedral de Florencia.

ACTIVIDAD: Busca en internet monumentos del mundo y crea una entrada en el blog en el que identifiques distintos elementos arquitectónicos vistos.

ACTIVIDAD: Construcción de un arco de medio punto y de un arco ojival.

TEXTO

LA EXCRECIÓN Y EL APARATO URINARIO

La excreción es la eliminación de sustancias tóxicas o desechos del organismos. 

Existen diversas formas o vías de excreción:

a) Glándulas sudoríparas: liberan el sudor, que posee una composición similar a la orina. Ayuda a regular la temperatura del cuerpo.

b) Aparato respiratorio: elimina el CO2 producido en las células.

c) Aparato digestivo: expulsa al exterior los componentes del alimento que no han sido digeridos.

d) Hígado: libera los residuos disueltos en la bilis al intestino, procedente de los fármacos digeridos, drogas, aditivos alimentarios, ...

e) Aparato urinario: fabrica la orina, el mecanismo más eficaz para elminar residuos.

EL APARATO URINARIO

FUNCIONES:

- Controlar el pH de la sangre, eliminando o reteniendo las sales minerales.

- Regular el volumen sanguíneo, eliminando o reteniendo agua.

- Eliminar sustancias de desecho procedentes del metabolismo, como la urea y el ácido úrico.

ANATOMÍA / PARTES: 

Está constituido por los RIÑONES y las VÍAS URINARIAS.

1) RIÑONES:

Son dos órganos con forma de haba, situados en la parte posterior de la cavidad abdominal.  Están compuestos por un millón de nefronas aproximadamente. Las nefronas se encargan de filtrar la sangre. Los productos de desecho y el agua sobrante forman la orina.

2) VÍAS URINARIAS: 

La orina formada por cada una de las nefrona es recogida por los URÉTERES, que descienden hasta la VEJIGA, donde se almacena, hasta que se expulsa al exterior a través de la URETRA, en el acto voluntario de la micción. 

TRANSFERENCIA DE ENERGÍA: CALOR.

CRITERIOS DE EVALUACIÓN

- Utiliza la teoría cinética para explicar la temperatura de los cuerpos.

- Explica el calor como un proceso de transferencia de energía entre dos cuerpos.

- Plantea y resuelve problemas utilizando los conceptos de calor específico y de calor latente.

- Enumera y explica los diferentes efectos del calor sobre los cuerpos.

- Aplica el principio de conservación de la energía a situaciones cotidianas.

- Enumera y explica los diferentes mecanismos de propagación del calor.

CALOR

• Equilibrio térmico:

Cuando se ponen en contacto dos sistemas materiales a diferente temperatura, evolucionan de manera que al final se igualan las temperaturas de ambos, llegando a lo que se llama equilibrio térmico. Ejemplo: Si un trozo de hierro caliente a 200 ºC lo echamos en agua fría a 18 ºC, el hierro se enfría y el agua se calienta un poco, de forma que al final la temperatura del hierro y del agua son iguales, p. ej., 27 ºC.

Si hacemos un estudio energético del proceso tendremos que decir:

Estado inicial: El hierro tiene una determinada energia interna por estar a 200 ºC y el agua tiene otra energía interna por estar a 18 ºC.

Estado final: La energía interna del hierro es menor que la que tenía antes (ya que ha bajado la temperatura) mientras que la energía interna del agua es mayor que la que tenía antes (ha aumentado su temperatura).

Lo que ha disminuido la energía interna del hierro (supongamos que ha sido 500 julios) es igual a lo que ha aumentado la energía interna del agua (suponiendo que no hay pérdidas al medio ambiente) ya que como sabemos la cantidad total de energía es siempre la misma (Principio de conservación de la energía). Recuerda, a partir de ahora, CALOR GANADO = CALOR CEDIDO

• Calor: 

 Los científicos llaman CALOR (o energía térmica) al valor de la energía transferida entre dos sistemas a causa de una diferencia de temperatura entre ambos y a la energía puesta en juego cuando se produce un cambio de estado. El calor es energía en tránsito.

Los cuerpos NO tienen CALOR. Los cuerpos tienen ENERGÍA INTERNA Se denomina energía interna de un cuerpo a la suma de todas las energías cinética y potencial de cada una de las partículas que lo forman.

1) ¿De qué factores dependerá el calor necesario para calentar una sustancia?

2) Señala si te parecen adecuadas  las siguientes expresiones para calcular el calor, Q, intercambiado por un sistema, e indica el motivo de tu elección:

  a) Q = m + k . (Tf + Ti) b) Q = m . k/(Tf – Ti) c) Q = m . (Tf – Ti) . k

El calor intercambiado por un sistema cuando pasa de una temperatura inicial Ti, a una final Tf, depende de la masa del sistema, de la variación de temperatura que experimenta y de la naturaleza de la sustancia que forma el sistema. Este factor, es decir, la naturaleza del sistema, se incluye como una constante característica de cada sustancia y recibe el nombre de calor específico:

∆E = Q = m . ce . ∆T = m . ce . (Tf – Ti)

Q > 0 Tfinal > Tinicial AUMENTA LA ENERGÍA INTERNA DEL SISTEMA. ABSORBE CALOR.

Q < 0 Tfinal < Tinicial DISMINUYE LA ENERGÍA INTERNA DEL SISTEMA. CEDE CALOR.

- El calor es una magnitud física. Su unidad en el S. I. es el JULIO, que es el calor para aumentar 1ºC la temperatura de 0,24 g de agua. - Otra unidad muy utilizada es la CALORÍA, que es el calor necesario para elevar en 1 ºC la temperatura de 1 g de agua pura, de 14,5 a 15,5 ºC a la presión de 1 atm. 1 cal = 4,18 J (Equivalente mecánico del calor)

• Calor específico:

3) a) Quieres calentar 1 kg de agua y 1 kg de alcohol, ambos desde la misma temperatura inicial hasta la misma temperatura final. ¿En qué caso necesitarías más energía? ¿Por qué?

b) Suministrando la misma cantidad de energía,  ¿qué aumentará más de temperatura: 1 kg de agua o 1 kg de hierro?¿Por qué?

c) Hay en la tabla de datos alguna sustancia cuyo calor específico sea mayor que el del agua? Según eso ¿qué sustancia necesita más energía para experimentar el mismo aumento de temperatura?

Por tanto, el calor específico de una sustancia es la energía necesaria para cambiar (aumentar o disminuir) en 1ºC la temperatura de un gramo de dicha sustancia.

Si te fijas en la tabla de calores específico, la sustancia con mayor calor específico es el agua.  Los metales y los sólidos en general tienen un calor específico pequeño. Esto puede explicar la diferencia entre los climas continentales y costeros. El mar tiene una gran inercia térmica (tarda más en enfriarse y calentarse que la tierra) lo que provoca unos vientos (brisas) en las zonas costeras que son las responsables de los climas más templados.

• Cálculo de la variación de energía interna de una sustancia cuando cambia la temperatura.

Hemos visto que el calor intercambiado por un sistema cuando cambia su temperatura puede calcular con la ecuación:  

∆E = Q = m . ce . ∆T = m . ce . (Tf – Ti)

Donde:  m = masa del cuerpo (kg), ce = calor específico (J/kg.ºC  o cal/g.ºC )

     ∆T = Incremento de temperatura (ºC), siendo la temperatura una medida de la energía  cinética media de las partículas de un cuerpo.

4) a) ¿Cuánta energía es necesaria para calentar 400 g de agua del grifo desde una temperatura de 18 ºC hasta una temperatura de 40 ºC?

b) ¿Cuánta energía es necesaria para calentar 400 g de cobre desde 18 ºC hasta 40 ºC? Compáralo con el resultando anterior.

c) Queremos freír pescado. ¿Qué cantidad de calor necesitaremos para calentar 250 g de aceite desde la temperatura ambiente de 25 ºC  hasta la de 190 ºC? (ce(aceite) = 1 675  J/kg.ºC)

d) ¿Cuánta energía pierde 1 kg de hierro (Fe) cuando se enfría desde 800 ºC hasta la temperatura ambiente (20 ºC)? Expresa el resultado en julios y calorías.

e) Calcula la cantidad de calor que tienen 250 gramos de cobre a 200 ºC.

5) Con un hornillo eléctrico cuya potencia es 500 W queremos calentar 400 g de leche (ce = 0,9 cal/g.ºC) desde 10 hasta 50 ºC.

a) ¿Qué energía será necesaria para calentar la leche?

b) ¿Qué tiempo deberá funcionar, como mínimo, la hornilla?

• ¿Qué es el frío?

En el lenguaje cotidiano utilizamos el término "frío" con muchos significados distintos. El "frío" no es una palabra necesaria en la ciencia. Todas las expresiones que se refieren al "frío" pueden explicarse de otra forma, utilizando palabras como "temperatura" y energía interna. Por ejemplo, la expresión "entra frío por la ventana" se explicaría diciendo que entra aire a baja temperatura por la ventana mientras que sale de la clase aire caliente disminuyendo la temperatura media de la habitación.

Cuando enfríamos algo lo que hacemos en realidad es poner en contacto dos sistemas que están a distintas temperaturas, disminuyendo la energía interna del que está a mayor temperatura y aumentando la energía del que está a menor temperatura.

• Efectos del calor sobre los cuerpos

1. Cambios de temperatura. Efecto estudiado en puntos anteriores, resumimos diciendo que si el cuerpo absorbe calor, Q > 0 y lo contrario, si pierde.

2. Cambios de estado. La cantidad de una sustancia que cambia de estado depende de la cantidad de calor que se le comunica y del tipo de sustancia.

Q = m. L  

donde, m es la masa y L es el calor latente de un cambio de estado (cantidad de calor que hay que comunicar a una sustancia para que expermente el cambio de estado a la temperatura de ese cambio de estado). Se habla del calor latente de fusión (Lf) y del calor latente de vaporarización (Lv). El calor latente se mide en J/Kg en el S.I.

3. Cambio de tamaño. Casi todos los cuerpos aumentan de tamaño cuando se calientan, se dilatan. Los gases se dilatan mucho más que los líquidos y, estos, que los sólidos. Por el contrario, cuando se enfrían disminuyen su volumen, se contraen.

• Mecanismos de transmisión del calor.

La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro, o entre dos partes de un mismo cuerpo, se puede hacer por conducción, convección o radiación.

1. La conducción es el modo en que se transmite la energía térmica en los sólidos. La energía se propaga gracias a los choques que se producen entre las partículas "calientes" y sus vecinas. Existen cuerpos que son muy buenos conductores como los metales y otros, como la madera, que conducen muy mal el calor y se utilizan como aislantes térmicos.

2. La convección es el modo en que se transmite la energía térmica en los fluidos. La energía se propaga porque se produce un transporte de materia. Existe convección en una olla, alrededor de un radiador (el aire caliente sube / el aire frío baja) y en las células convectivas del manto terrestre.

3. La radiación es el modo en que se transmiten la energía térmica entre dos cuerpos sin que exista ningún tipo de contacto material entre ellos. Se propaga por medio de ondas electromagnéticas y es la única forma en que se transmite energía térmica en el vacío. Es la forma en la que nos llega el calor del Sol o percibimos el calor de una bombilla sin llegar a tocarla.

Recuerda: 

- La temperatura absoluta se suele representar con T (mayúscula), mientras que en las otras escalas, escala centígrada y Fahrenheit, se representa por la letra t (minúscula).

- La escala Kelvin comienza en el cero absoluto (0 K), que es la temperatura más baja posible, a la cual las partículas de los gases no se mueven. Equivale a -273,15 ºC

PROBLEMAS

6) Un día de verano en la ciudad de Nueva York se puede leer que un termómetro electrónico situado en la calle marca 98 grados. ¿Es esto posible? (Recuerda: T(ºC)/100 = (T (ºF) – 32) / 180)

7) Analiza teóricamente todas las etapas y energías implicadas en la transformación de hielo a -5 ºC a vapor de agua a 110 ºC.

8) ¿Qué cantidad de calor se necesita para fundir totalmente100 g de hielo que se encuentra a -5ºC? Tomad cehielo = 2 090  J/(kg.ºC) y Lfusión = 334,4 kJ/kg

9) ¿Qué cantidad de calor hay que comunicar a 100 gramos de agua a  -12 ºC para transformarlo en vapor de agua a 100  ºC? Datos: c_e(hielo) = 2 100 J/kg.ºC; c_e(agua) =  4 180 J/kg.^oC; L_fusión = 3,35.10⁵ J/kg; L_{vaporización} = 2,2.10⁶ J/kg

10) Un calorímetro es un sistema aislado en el que no hay intercambio de energía con el entorno. En el equilibrio, se cumple que: calor cedido por el cuerpo + calor ganado por el agua + calor ganado por el calorímetro = 0.  Resuelve el siguiente problema:

En un calorímetro, cuyo equivalente en agua son 10 g, que contiene 100 g de agua a 20 ºC, se introduce un cuerpo de 20 g a una temperatura de 80 ºC, siendo la temperatura final de la mezcla de 25 ºC. ¿Cuál es el calor específico del cuerpo?

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