El Universo mecanico Fisica

El Universo mecanico

Realizado por California Institute of Technology The Corporation for Community College. Hace un recorrido por los distintos campos de la física: electricidad, magnetismo, mecánica, etc.

Lección 1a., Introducción al universo mecánico.

La investigación comienza con la formulación de algunas cuestiones. Este prolegómeno nos introduce en un mundo aristotélico en conflicto. Presenta las ideas y las personas que revolucionaron el pensamiento científico desde Copérnico, pasando por Newton, hasta nuestros días; y enlaza la Física celeste con la Física en la Tierra. Objetivos pedagógicos: definir las unidades de longitud, tiempo y masa; conocer las unidades del "S. I." y algunas unidades de "Ss. Angloamericanos"; interpretar los factores de conversión y utilizarlos para pasar de un sistema de unidades a otro; expresar números grandes y pequeños en notación científica; conocer las abreviaturas científicas usuales de las unidades.

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Lección 2a., La ley de la caída de los cuerpos.

Con el conocimiento convencional que proporciona la visión aristotélica del mundo, se podría ver que los cuerpos pesados caen con más rapidez que los ligeros. Galileo dedujo que la distancia que un cuerpo ha recorrido en su caída es proporcional al cuadrado del tiempo empleado. Con la herramienta matemática denominada derivada deducimos los conceptos de velocidad y de aceleración. Objetivos pedagógicos: Definir velocidad media, aceleración media, velocidad y aceleración. Identificar que la distancia que un cuerpo recorre al caer en el vacío es proporcional al cuadrado del tiempo empleado. Reconocer que todos los cuerpos caen en el vacío con la misma aceleración constante. Analizar los aspectos significativos del entorno histórico que dieron lugar al descubrimiento de la "Ley de la caída de los cuerpos". Utilizar expresiones algebraicas para resolver problemas que describen el movimiento de cuerpos en caida libre. Interpretar la derivada como un límite o razón instantánea de cambio.

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Lección 3a., Derivadas.

La función de las matemáticas en las ciencias físicas. Como concepto teórico y herramienta práctica, la derivada ayuda a determinar la velocidad instantánea y la aceleración de un cuerpo que cae. La diferenciación se desarrolla más para calcular cómo una cantidad cualquiera cambia en relación a otra. La regla de la potencia, la regla del producto, la regla de la cadena: con unas cuantas reglas sencillas, diferenciar cualquier función resulta una tarea fácil. Objetivos pedagógicos: Definir el concepto de derivada. Interpretar la relación entre tangente y derivada. Calcular derivadas elementales usando las reglas de diferenciación.

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Lección 4a., Inercia.

Auge y caída de Galileo. Copérnico demostró que la Tierra gira sobre su eje y describe una órbita alrededor del sol. Considendo sus implicaciones, era una suposición más bien peligrosa, en esos tiempos, que provocó preguntas tan aventuradas como: ¿Por qué los objetos caen a la Tierra en vez de errar en el espacio? Y en este esquema herético de las cosas en el que la Tierra no era el centro, ¿dónde estaba Dios? Arriesgando algo más que su estatus privilegiado en Roma, Galileo contribuyó a responder a tales preguntas con la formulación de la "Ley de la inercia".Objetivos pedagógicos: Interpretar la "Ley de la inercia". Distinguir entre la descripción aristotélica y galileana del movimiento. Reconocer que la descripción de un movimiento no es la misma cuando este se analiza desde distintos sistemas de referencia. Indicar que las trayectorias parabólicas son el resultado de la composición de una velocidad constante en dirección horizontal y una aceleración vertical constante. Apreciar la significación histórica y la universalidad de la "Ley de la inercia" de Galileo.

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Lección 5a, Vectores.

La Física debe explicar no solo "por qué y cuánto", sin también "dónde y cómo". Los físicos y los matemáticos diseñaron un modo de describir las cantidades que tienen una dirección, un sentido y un módulo. Las leyes que tratan con fenómenos de distancias y velocidades son leyes universales. Y al describir cantidades tales como desplazamiento y velocidad, se expresa universalmente una ley de la Física de una manera que es la misma para todos los sistemas de coordenadas. Objetivos pedagógicos: Sumar y restar gráficamente vectores manejando la "regla del paralelogramo". Indicar las componentes de un vector y utilizarlas analíticamente para la suma y la resta. Interpretar el producto escalar de dos vectores. Describir el producto vectorial de dos vectores.

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Lección 6a, La ley de Newton.

Isaac Newton estableció las leyes para todos los fenómenos de "El universo mecánico". Como generalización de la "Ley de inercia de Galileo", la "Primera ley de Newton" establece que todo cuerpo permanece en reposo o continua en movimiento rectilíneo uniforme a menos que una fuerza resultante neta actúe sobre él. Su "Segunda ley", la más profunda afirmación de la mecánica clásica, relaciona las causas y los cambios en el estado de movimiento para todos los objetos del cosmos. La "Tercera ley de Newton" explica el fenómeno de las interacciones: toda fuerza-acción genera una fuerza-reacción igual y opuesta. Objetivos pedagógicos: Explicar las definiciones de fuerza y masa y decir en qué consiste la Ley del movimiento de Newton. Distinguir entre masa y peso. Conocer las siguientes unidades y saber cómo se definen kilogramo, newton y dina. Reconocer que las fuerzas siempre se presentan en parejas, como "acción-reacción", y actúan sobre cuerpos diferentes, y que nunca pueden actuar como fuerzas de equilibrio de un cuerpo. Comprender que el grado de aplicación de la "segunda ley de Newton" surge de la misma como una ecuación diferencial. Analizar el movimiento de proyectiles como consecuencia de las leyes de Newton.

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Lección 7a, Integración.

Newton y Leibniz desarrollaron el cálculo matemático. Y produjeron el mayor avance científico en más de 2000 años desde la Edad de Oro Griega hasta la Europa de finales del sigloXVII. Newton Leibniz llegaron, independientemente, a la conclusión de que diferenciación e integración son procesos inversos. Su apasionante descubrimiento intelectual, reflejó dramáticamente los tiempos que corrían, terminando en un controvertido enfrent5amiento personal. Objetivos pedagógicos: Definir la integración como el proceso de obtención de la primitiva de una derivada. Comprender la relación existente entre integración y medida de áreas. Exponer el "Segundo Teorema Fundamental de Cálculo. Aplicar el "Segundo Teorema Fundamental de Cálculo" a problemas físicos.

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Lección 8a, La manzana y la luna.

Los primeros pasos consolidados hacia el espacio exterior. Al buscar una aplicación a las leyes de Kepler, Newton descubrió que la gravedad describe la fuerza entre dos partículas cualesquiera del universo. Desde un huerto inglés a Cabo Cañaveral y aún más allá, la "Ley de la gravitación universal" enunciada por Newton revela porqué una manzana cae al suelo pero la Luna no. Objetivos pedagógicos: Reconocer que entre dos objetos existe una fuerza gravitacional que es directamente proporcional al producto de las masas e inversamente proporcional al cuadrado de las distancias que las separa. Entender la dependencia funcional de la fuerza gravitacional con la masa y la distancia. Usar algunas fórmulas para resolver problemas. Reconocer que, para velocidades suficientemente pequeñas, el tiempo que tarda un proyectil en caer a la Tierra es independiente de su velocidad horizontal, pero para altas velocidades horizontales, hay que tener en cuenta el efecto de curvatura terrestre. Describir el movimiento orbital en términos de la "Ley de la inercia" y de la "Ley de la gravitación universal".

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Lección 9a, El círculo en movimiento.

El primigenio ideal platónico, con las derivadas de funciones vectoriales. Según Platón, los astros son cuerpos celestes que giran alrededor de la Tierra en absoluta perfección, describiendo círculos perfectos a velocidad uniforme. Incluso en este mundo imperfecto, el movimiento circular uniforme tiene un sentido matemático perfecto. Objetivos pedagógicos: Interpretar las medidas en el movimiento circular uniforme. Describir las relaciones entre radio, velocidad y aceleración en el movimiento circular uniforme. Utilizar fórmulas en la resolución de problemas. Manejar las Leyes de Newton para definir la dinámica del movimiento circular y resolver problemas de objetos que se mueven en trayectorias circulares.

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Lección 10a, Las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

Todos los fenómenos físicos de la Naturaleza se explican mediante cuatro fuerzas de interacción: dos fuerzas nucleares-fuerte y débil- que actúan a nivel del núcleo atómico. La fuerza de gravitación fundamental está presente en todo el Universo. Como también lo está la cuarta fuerza fundamental, la electromagnética, que une los átomos de toda materia. Objetivos pedagógicos: Identificar qué fuerzas fundamentales son responsables de una resultante. Describir el experimento de Cavendish para determinar la constante gravitacional universal G. Comparar y contrastar las fuerzas electromagnéticas y las gravitacionales. Conocer que todas las fuerzas de contacto proceden de fuerzas electromagnéticas que actúan de diferentes y complejos modos. Aplicar las "Leyes de Newton" para resolver problemas de planos inclinados y poleas. Reconocer que la fuerza de rozamiento estático, máxima, y la fuerza de rozamiento cinético son proporcionales a las componentes normales de las fuerzas, a la superficie en cuestión. Aplicar las "Leyes de Newton" a problemas de movimiento circular.

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Lección 11a, Gravedad ,electricidad y magnetismo.

Son fuerzas que actuan en el escenerio de la Física. La fuerza gravitacional entre dos masas, la fuerza eléctrica entre dos cargas, y la fuerza magnética entre dos polos; todas ellas tienen básicamente la misma formulación matemática. Los manuscritos de Newton sugerían la existencia de conexiones entre la electricidad y el magnetismo. Por una corazonada científica, Maxwell vio la materia bajo una perspectiva totalmente innovadora. Objetivos pedagógicos: Indicar una conexión entre electricidad y magnetismo. Enunciar ejemplificaciones y diferencias entre Gravitación y Electromagnetismo. Explicar cóo la velocidad de la luz queda "acotada" por las fuerzas electromagnéticas.

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Lección 12a, El experimento Millikan.

¿Cómo avanza la técnica? A través de penosas pruebas y errores, nos muestra una recreación dramática del clásico experimento de la gota de aceite de Millikan. Suponiendo la fuerza eléctrica en una gotita cargada y la viscosidad, se midió la carga de un electrón aislado. Objetivos pedagógicos: Describir el experimento de Millikan para medir la carga de un electrón. Resolver problemas de fuerzas viscosas. Reconocer que toda carga es un múltiplo de la unidad de carga elemental, la del electrón.

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Lección 13, Conservación de la energía.

El mito de la "crisis de la energía". Según una de las principales leyes de la Física, la energía ni se crea ni se destruye. Objetivos pedagógicos: Definir los conceptos de trabajo, energía cinética y energía potencial. Entender la relación existente entre trabajo y energía. Resolver problemas empleando el "Principio de conservación de la energía".

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Lección 14, Energía potencial.

El tema de la estabilidad. La energía potencial da la clave, y un modelo consistente, para entender porqué el mundo ha funcionado de la misma manera desde el comienzo de los tiempos. Objetivos pedagógicos: Calcular la función de energía potencial asociada con una fuerza conservativa. Identificar la fuerza F(x) a partir de la función de energía potencial U(x). Situar los puntos de equilibrio y discutir su estabilidad a partir de un gráfico de la función de energía potencial U(x). Utilizar los conceptos de energía potencial gravitacional y el "Principio de conservación de la energía" para resolver problemas de velocidad de escape.

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Lección 15, Conservación del momento.

Si el Universo, en su mecánica, es un reloj perpetuo, ¿Qué mantendrá su marcha hasta el final de los tiempos? Tomando un ejemplo de Descartes, el momento lineal-el producto de masa por velocidad- cantidad de movimiento-siempre se conserva. La "Segunda ley de Newton" materializa el concepto de conservación del momento lineal. Esta ley proporciona un convincente principio para analizar los choques, incluso en una mesa de billar. Objetivos pedagógicos: Reconocer la conservación del momento lineal como una consecuencia de la "Segunda ley de Newton". Identificar cuándo se conserva el momento lineal de un sistema. Reconocer la conexión entre energía cinética y momento lineal. Resolver problemas con choques elásticos y no elásticos. Interpretar la relación entre impulso y tiempo medio de acción de una fuerza.

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Lección 16, Movimiento armónico.

La música y las matemáticas de la naturaleza. La fuerza de recuperación y la inercia de cualquier sistema mecánico estable hace que los objetos realicen un movimiento armónico simple, un fenómeno que se repite a tiempos exactos. Objetivos pedagógicos: Conocer las características generales del movimiento armónico simple, incluida la importante propiedad de que la aceleración es proporcional al desplazamiento, en su dirección; pero opuesta al mismo. Relacionar el movimiento armónico simple y con el movimiento circular. Resolver problemas de objetos fijados a muelles verticales u horizontales. Analizar las condiciones en las que el movimiento del péndulo simple o péndulo físico es armónico simple, y ser capaz de encontrar el período del movimiento.

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Lección 17, Resonancia.

PUBLICAC. Madrid : Arait Multimedia, D.L. 1992. DES.FÍSICA 1 videocasete : son.,col. RESUMEN La música y las matemáticas de la naturaleza., Parte II. Como observó Galileo, las oscilaciones de un péndulo aumentan al aplicarle una fuerza pequeña repetidas veces de una forma sincrónica. Cuando la frecuencia de aplicación de la fuerza coincide con la frecuencia del sistema, las oscilaciones ganan amplitud y se produce el fenómeno conocido como Resonancia. La resonancia explica porqué un puente colgante puede caerse soplando un viento suave, y también como la voz humana puede romper una copa de cristal. Objetivos pedagógicos: Definir las oscilaciones forzadas. Explicar la resonancia y dar algunos ejemplos. Interpretar la relación existente entre resonancia y movimiento oscilatorio forzado.

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Lección 18, Ondas.

Las perturbaciones del medio en la naturaleza. Con un análisis del movimiento armónico simple y un toque de genialidad, Newton extendió la mecánica a la propagación del sonido. Objetivos pedagógicos: Diferenciar entre ondas transversales y ondas longitudinales. Interpretar las relaciones entre velocidad, período, frecuencia, longitud de onda y frecuencia angular referidas a una onda armónica. Reconocer la dependencia entre velocidad y la longitud de una onda, en el caso de ondas que se transmiten por el agua, superficial o profundamente. Analizar porqué Newton no se sintió satisfecho con su cálculo de la velocidad del sonido.

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Lección 19, Momento cinético.

Un antiguo momento con un nuevo giro. La "segunda ley de Kepler" del movimiento de los planetas, que aquí se funda en un principio mucho más sólido, supone una línea, desde el sol a un planeta, que barre áreas iguales en tiempos iguales. El momento angular es una precesión de un momento lineal: el producto vectorial del vector radio por la cantidad de movimiento. Una fuerza que gira crea un par o momento. Cuando ningún par actúa sobre un sistema, el momento angular del sistema se conserva. Objetivos pedagógicos: Definir par de torsión y momento angular. Identificar el momento angular de un sistema y de una partícula. Interpretar la conexión entre la "segunda ley de Kepler" y el "Principio de conservación del momento angular". Reconocer el papel de la conservación del momento angular en la formación de vórtices y torbellinos.

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Lección 20, Torsión y giroscopios.

¿Por qué una tapa que gira no se cae? Cuando un par de fuerzas actúa sobre un objeto giratorio, el momento angular cambia, pero el objeto solamente realiza una precesión. El objeto puede ser un juguete infantil, una pieza de un sistema de navegación, o la propia tierra. Objetivos pedagógicos: Explicar porqué un giroscopio girando realiza una precesión. Describir cómo hacer un giroscopio con un grado de precesión muy pequeño. Interpretar de qué manera la Tierra actúa como un giroscopio.

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Lecciones de la 21 a la 40

Lecciones de la 41 a la 52

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