Física para el diseño

F2001 Física para el diseño

C - L - U: 3-0-8

Requisito: (Haber aprobado F1001)

Equivalencia: No tiene

Programas académicos: 3 LDI07

Intención del curso en el contexto general del plan de estudios

Este curso de nivel básico tiene la intención de desarrollar en el alumno la capacidad de usar herramientas de matemáticas y física para encontrar soluciones a problemas del diseño, desde un punto de vista formal-visual. Esto se logrará mediante la exposición a problemas que requieren de diseño y se resuelven por medio de la creación, definición, evaluación y/o verificación de diversos aspectos utilizando modelos matemáticos y físicos elementales. Requiere el conocimiento de matemáticas para el diseño. Como resultado del aprendizaje se espera que el alumno aplique herramientas de matemáticas y física para resolver problemas del diseño.

Resultado del Aprendizaje

Como resultado del aprendizaje se espera que el alumno solucione problemas que involucren conceptos de estática básica.

Objetivos generales del curso:

Al finalizar el alumno será capaz de:

Conocer los fundamentos de la Física que sustentan racionalmente el diseño.
Aplicar los conceptos basados en las Leyes de Newton para realizar modelos físicos de situaciones reales propias del diseño, tales como armaduras, bastidores y máquinas.

Frases temáticas:

1. Álgebra y operaciones vectoriales

2. Aplicaciones con vectores

3. Leyes de Newton

4. Sistemas en equilibrio

5. Equilibrio translacional y rotacional

TEMAS Y SUBTEMAS DEL CURSO

1. Vectores

1.1. Concepto de vector

1.2. Representación cartesiana y polar de los vectores

1.3. Vectores unitarios

1.4. Vectores en tres dimensiones

1.5. Suma y resta de vectores

1.6. Producto escalar

1.7. Producto vectorial

2. Aplicaciones de vectores

2.1. Determinar el ángulo entre vectores utilizando al producto escalar

2.2. Determinar el área de paralelogramos utilizando al producto vectorial

2.3. Determinar el volumen de paralelepípedos utilizando al triple producto escalar

2.4. Equilibrio translacional de fuerzas en tres dimensiones

3. Leyes de Newton

3.1. Concepto de inercia y la Primera Ley de Newton

3.2. Segunda Ley de Newton

3.3. Interacción entre cuerpos y la Tercera Ley de Newton

4. Equilibrio translacional

4.1. Condición de equilibrio translacional

4.2. Fuerzas de fricción

5. Equilibrio rotacional

5.1. Momento de fuerza

5.2. Brazo de palanca

5.3. Condiciones de equilibrio rotacional y translacional

6. Centro de gravedad y centro de masa

7. Esfuerzos y tensiones

8. Propiedades mecánicas básicas

8.1. Esfuerzo y deformación

8.2. Razón de Poisson y módulo volumétrico

8.3. Módulo de corte

9. Tema integrador. Aplicaciones

9.1. Armaduras

9.2. Bastidores y máquinas

OBJETIVOS ESPECIFICOS DE APRENDIZAJE POR TEMA

1. Vectores

1.1. Concepto de vector

1.1.1. Definir a un vector y diferenciarlo de las cantidades escalares

1.2. Representación cartesiana y polar de los vectores en dos dimensiones

1.2.1. Expresar a un vector en términos de sus componentes cartesianos

1.2.2. Determinar la magnitud y la dirección de vectores en el plano

1.3. Vectores unitarios

1.3.1. Definir e interpretar el concepto de vector unitario

1.3.2. Calcular vectores unitarios a partir de vectores dados

1.3.3. Expresar a los vectores en términos de vectores unitarios

1.4. Vectores en tres dimensiones

1.4.1. Determinar la magnitud de un vector en el espacio

1.4.2. Determinar la dirección de un vector en el espacio mediante los ángulos directores

1.5. Suma y resta de vectores

1.5.1. Definir las operaciones de suma y resta entre vectores

1.5.2. Mostrar las propiedades de la suma vectorial

1.5.3. Realizar la suma y resta de vectores mediante métodos gráficos

1.5.4. Realizar la suma y resta de vectores en términos de sus componentes

1.6. Producto escalar

1.6.1. Definir e interpretar al producto escalar (producto punto) entre vectores

1.6.2. Expresar al producto escalar en términos de los componentes de los vectores

1.6.3. Aplicar al producto escalar para determinar al ángulo entre dos vectores

1.6.4. Aplicar al producto escalar para calcular la proyección de un vector sobre la dirección de otro

1.7. Producto vectorial

1.7.1. Definir e interpretar al producto vectorial (producto cruz) entre vectores

1.7.2. Calcular el producto vectorial de dos vectores en términos de sus componentes

1.7.3. Aplicar al producto vectorial para determinar el área de un paralelogramo

1.7.4. Definir e interpretar al triple producto vectorial

1.7.5. Definir e interpretar al triple producto escalar

2. Aplicaciones de vectores

2.1. Resolver ejercicios relacionados con desplazamientos vectoriales

2.2. Resolver ejercicios relacionados con equilibrio de fuerzas en tres dimensiones

2.3. Aplicar al triple producto escalar para calcular el volumen de un paralelepípedo

3. Leyes de Newton

3.1. Concepto de inercia y la Primera Ley de Newton

3.1.1. Definir el concepto de masa inercial y diferenciarlo del de masa gravitacional

3.1.2. Enunciar e interpretar la ley de la inercia

3.2. Segunda Ley de Newton

3.2.1. Enunciar e interpretar la Segunda Ley de Newton para cuerpos de masa constante

3.2.2. Resolver ejercicios que involucren a planos inclinados y poleas simples

3.2.3. Definir a las fuerzas de fricción estática y cinética

3.2.4. Resolver ejercicios que involucren fuerzas de fricción

3.3. Interacción entre cuerpos y la Tercera Ley de Newton

3.3.1. Enunciar e interpretar a la Tercera Ley de Newton

3.3.2. Establecer las condiciones de validez de la Tercera Ley.

3.3.3. Resolver ejercicios que involucren a la Tercera Ley.

4. Equilibrio translacional

4.1. Definir la condición de equilibrio translacional

4.2. Resolver ejercicios sobre equilibrio translacional

5. Equilibrio rotacional

5.1. Momento de fuerza

5.1.1. Analizar los efectos rotacionales de una fuerza aplicada en un punto dado de un cuerpo

5.1.2. Definir e interpretar el concepto de momento de fuerza (momento de torsión)

5.1.3. Expresar al momento de torsión en términos del producto vectorial

5.2. Brazo de palanca

5.2.1. Definir e interpretar el concepto de brazo de palanca

5.2.2. Identificar y calcular brazos de palanca para fuerzas aplicadas en diversos puntos de un cuerpo

5.3. Condiciones de equilibrio

5.3.1. Enunciar las condiciones de equilibrio rotacional y translacional

5.3.2. Resolver ejercicios de estática involucrando vigas y fuerzas de contacto

6. Centro de gravedad y centro de masa

6.1. Definir y diferenciar los conceptos de centro de masa y centro de gravedad

6.2. Determinar el centro de gravedad de diversos cuerpos mediante métodos analíticos y experimentales

6.3. Definir e interpretar el concepto de momento de inercia

6.4. Mostrar los momentos de inercia de diversos cuerpos, con respecto a diferentes ejes

7. Esfuerzos y tensiones

7.1.1. Definir e interpretar los conceptos de esfuerzo, tensión, compresión y deformación

8. Módulos de elasticidad

8.1. Esfuerzo y deformación

8.2. Enunciar y analizar la ley de Hooke, haciendo referencia a la zona elástica y la zona plástica, la resistencia a la fluencia y la resistencia última

8.3. Enunciar los conceptos de fatiga y flujo plástico

8.4. Definir la Razón de Poisson

8.5. Enunciar la relación entre la deformación longitudinal y la lateral.

8.6. Definir los módulos de corte y volumétrico

8.7. Enunciar la relación entre el módulo de corte, razón de Poisson y módulo de elasticidad

8.8. Asistir al laboratorio para explicar en la máquina universal todos estos conceptos

9. Tema integrador. Aplicaciones

Aprender a aplicar a estructuras, bastidores y máquinas todo lo visto durante el curso. Se recomienda hacer un concurso en el que construyan algún tipo de estructura o máquina, integrando los conocimientos del curso.

METODOLOGIA SUGERIDA Y ACTIVIDADES DE APRENDIZAJE

Se sugiere emplear la metodología de aprendizaje basado en problemas, combinada con exposiciones interactivas haciendo énfasis en la utilización de los conceptos para resolver problemas prácticos, con asistencia al laboratorio.

Se recomienda el uso de hojas electrónicas de cálculo (e.g. Excel) como herramienta de análisis y visualización. De la misma manera se recomienda el uso de aplicaciones de Java o equivalentes, para simular fenómenos físicos.

Técnica didáctica sugerida:
Aprendizaje basado en problemas y exposición interactiva.

TIEMPO ESTIMADO DE CADA TEMA

Tema	Duración
Vectores	6
Aplicaciones de vectores	6
Leyes de Newton	15
Equilibrio (Estática)	18
Exámenes parciales	3
Total	48

POLITICAS DE EVALUACION SUGERIDAS

Calificación parcial:

· Promedio de tareas y PBL: 30 %

· Examen parcial: 70%

Calificación final:

· Promedio de los exámenes parciales: 70 %

· Examen final: 30%

BIBLIOGRAFÍA

Libro(s) Texto

Sears, F., Zemansky, M., Young, H. Física Universitaria Vol. 1. Pearson. 11a edición. México, 2004

Libros de consulta:

Hallday, D, Resnick, R. Fundamentals of Physics. Wiley. 2001
Wilson, D., Buffa, A. College Physics. Pearson. 2003
Walter, J. Physics. An introduction. Prentice Hall. 2007

Material de apoyo:
Hojas de cálculo (Excel).
Paquetes computacionales: Maple.

Calculadora programable con capacidad gráfica.

PERFIL DEL PROFESOR

Profesor con maestría en el área de especialidad.