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Enseñanza de la dinámica rotacional mediante la construcción de un prototipo para la determinación de los momentos de inercia

Authors:
  • Universidad Nacional de Chimborazo

Abstract

El presente trabajo tiene como objetivo principal aplicar una metodología de enseñanza muy utilizada a nivel de educación media y superior para el desarrollo de habilidades complementarias y por supuesto el aprendizaje de los principios de la dinámica rotacional, para ello se aplica la metodología de enseñanza basada en proyectos, es así que se construyó un prototipo para experimentar con masas y cuerpos geométricos que al aplicar las ecuaciones y cálculos respectivos se encuentra los momentos de inercia, estos valores se validan determinando el error respecto a los valores estimados teóricamente. Luego se mide mediante una encuesta el impacto sobre los estudiantes, resultando positivo en la construcción de conocimientos y se pudo identificar además el desarrollo de competencias en comunicación de estudiantes con el docente, aplicación de la ciencia a problemas reales y trabajo en equipo. Finalmente se concluye que es una herramienta muy recomendada en la educación superior para la enseñanza de la física y se podría aplicar a asignaturas de similares características.
a. Escuela superior Politécnica de Chimborazo; sa_lopez@espoch.edu.ec
b. Escuela superior Politécnica de Chimborazo; lsorozco@espoch.edu.ec
c. Escuela superior Politécnica de Chimborazo; miltoniquing@espoch.edu.ec
Santiago Alejandro López Ortiz a; Lenin Santiago Orozco Cantos b; Milton
Israel Quinga Morales c
Enseñanza de la dinámica rotacional mediante la construcción de un prototipo para
la determinación de los momentos de inercia
Revista Científica Mundo de la Investigación y el Conocimiento. Vol. 2 núm.,
especial, mayo, ISSN: 2588-073X, 2018, pp. 611-628
DOI: 10.26820/recimundo/2.esp.2018.611-628
Editorial Saberes del Conocimiento
Recibido: 05/12/2017 Aceptado: 15/02/2018
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prototipo para la determinación de los momentos de inercia
Vol. 2, núm. Esp., (2018)
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RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo principal aplicar una metodología de enseñanza muy
utilizada a nivel de educación media y superior para el desarrollo de habilidades
complementarias y por supuesto el aprendizaje de los principios de la dinámica rotacional, para
ello se aplica la metodología de enseñanza basada en proyectos, es así que se construyó un
prototipo para experimentar con masas y cuerpos geométricos que al aplicar las ecuaciones y
cálculos respectivos se encuentra los momentos de inercia, estos valores se validan determinando
el error respecto a los valores estimados teóricamente. Luego se mide mediante una encuesta el
impacto sobre los estudiantes, resultando positivo en la construcción de conocimientos y se pudo
identificar además el desarrollo de competencias en comunicación de estudiantes con el docente,
aplicación de la ciencia a problemas reales y trabajo en equipo. Finalmente se concluye que es
una herramienta muy recomendada en la educación superior para la enseñanza de la física y se
podría aplicar a asignaturas de similares características.
Palabras claves: Dinámica rotacional, momentos de inercia, aprendizaje basado en
proyectos, prototipos.
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ABSTRACT
The main objective of this paper is to use a teaching methodology widely used at the level of
secondary and higher education for the development of complementary skills and of course the
learning of the principles of rotational dynamics, for this the teaching methodology based on
projects, so a prototype was built for the experiment with masses and geometric bodies that when
applying the equations and calculations are routed to moments of inertia, these values are
validated by determining the error with respect to the theoretically estimated values. Then the
impact on students is measured through a survey, resulting positive in the construction of
knowledge and knowledge in the development of communication skills of students with the
teacher. Finally, it is concluded that it is a highly recommended tool in higher education for the
teaching of physics and that it could be a subject with similar characteristics
Keywords: Rotational dynamics, moments of inertia, project-based learning, prototypes.
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Introducción.
En la tarea de enseñar la ciencia de la física los maestros de nivel medio o superior se ven
limitados ya sea por el tipo de formación técnica predominante en los profesores de ingeniería o
la limitación de equipos y laboratorios en las instituciones educativas. Es así que se puede
observar que en modelos tradicionales de enseñanza se presentan dificultades para promover el
aprendizaje significativo a causa de ciertas suposiciones inadecuadas del maestro al solo
observar las deficiencias de los estudiantes (Cartaña, 1994). Experimentos realizados (Hake,
1998), (Redish, 1997) demuestran que el aprendizaje activo es más efectivo que el modelo
tradicional para la enseñanza de la física, por ello se están proponiendo nuevas metodologías
basadas principalmente en experimentos discrepantes ExD (Barbosa,2008) para desarrollar la
creatividad y mejorar la intuición física y proyectos de aula que contribuyen a la transferencia de
conocimientos de los principios teóricos y desarrollo del pensamiento crítico reflexivo e interés
por la investigación (Sandoval, 2009). Autores como Gil recomiendan trabajar en actividades
que acerquen el trabajo científico de manera aplicativa (Gil, 1986),(Gil, 1988).
Importancia del problema
La enseñanza basada en proyectos relaciona actividades interdisciplinarias, de largo o
mediano plazo como alternativa de los procesos cortos y aislados, para que el aprendizaje se
lleve a cabo, el estudiante debe entrenarse en identificación de dificultades y errores cometidos
durante el proceso, con el propósito de superarlos; a este ejercicio intencional, se le denomina
aprendizaje de la autorregulación, mediante el cual el estudiante convierte sus capacidades
mentales en habilidades académicas y posteriormente en habilidades técnicas, es por ello que
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esta metodología es gran uso en carreras técnicas y científicas (Restrepo, 2005), (Milentijevic,
2008). Todas éstas consideraciones justifican el interés del presente trabajo de aplicar ésta
metodología para la enseñanza de la dinámica rotacional mediante un proyecto que requiere la
construcción de un prototipo para aplicación teórica de los momentos de inercia, en trabajos
similares (Banks, 2005)(Collazos, 2009) se observa que estos prototipos pueden ser de bajo costo
y fácil construcción, lo importante en este tipo de trabajo es el reto presentado a los estudiantes y
la asimilación de conocimientos; que es evaluada en una etapa posterior. El prototipo permitirá
determinar experimentalmente el momento de inercia de diferentes solidos rígidos que pueden
ser cotejados con los valores encontrados en tablas, además se evaluará a estudiantes de
ingeniería que resultados obtuvieron de esta experiencia y que mejoría se puede evidenciar en
cuanto al aprendizaje de la dinámica rotacional. Un aporte esencial es que el prototipo pueda ser
utilizado en próximos cursos de la misma asignatura permitiendo a los estudiantes disponer de
nuevos equipos para las prácticas de laboratorio y también mostrar la efectividad de este tipo de
enseñanza para aplicarlo con otras teorías de la misma asignatura.
Metodología.
Fundamento Teórico
El momento de inercia de un cuerpo es la medida de la resistencia que éste presenta ante
un cambio de su movimiento de rotación y depende de la distribución de su masa respecto del eje
de rotación. Para calcular el momento de inercia I se divide el cuerpo en una cantidad suficiente
de elemento de masa ∆mi a distancia ri del eje de rotación y se realiza la sumatoria sobre todos
los elementos de masa:
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I=∑∆mi*ri2 (1)
El movimiento de un objeto extendido, como una rueda o una barra que gira en torno a un
eje, no se puede representar el objeto como una partícula y aplicar la fórmula 1, es necesario
analizar el cuerpo como un conjunto de partículas, cada una con su propia velocidad y
aceleración lineales. Al tratar con un objeto en rotación, la explicación se simplifica mucho al
suponer que el objeto es rígido. Un objeto rígido no es deformable; es decir, las ubicaciones
relativas de todas las partículas de que está compuesto permanecen constantes. Todos los objetos
reales son deformables en pequeñas medidas por lo que se aplica perfectamente éste modelos
para situaciones en que la deformación es ínfima. Los cuerpos geométricos de forma regular
tienen fórmulas que se pueden encontrar utilizando herramientas de cálculo diferencia e integra o
fácilmente en bibliografía relacionada, a continuación, se presentan las ecuaciones para
determinar teóricamente los momentos de inercia de dichas figuras respecto a su centro de
gravedad CM. (Serway, 2005)
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NOMBRE
FIGURA
GEOMÉTRICA
FÓRMULA
CILINDRO
HUECO

CILINDRO
SÓLIDO
DISCO
 
BARRA
 

ESFERA


Tabla 1. Momentos de inercia teóricos para sólidos geométricos regulares
Fuente: Autores (2018).
Una manera para validar estas fórmulas es aplicar la teoría del movimiento de un péndulo
en torsión, este movimiento se caracteriza por producir movimientos repetitivos en un
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determinado tiempo llamado período T y está en función de las variables Inercia respecto al
centro de masa ICM y la constante elástica del resorte K; la fórmula 2 establece la relación entre
las variables propias de la geometría del cuerpo y el tipo de resorte con el periodo T que puede
ser medido en segundos.

(2)
Al despejar el momento de inercia se obtiene:
 
 (3)
Prototipo
Una metodología clara puede facilitar el proceso de construcción de cualquier equipo o
prototipo siguiendo etapas secuenciales ya que los datos serán recolectados y organizados de una
manera más eficiente (Riba, 2006), en una etapa inicial es necesario establecer las
especificaciones o requerimientos que debe cumplir nuestro modelo, en la tabla siguiente se
presentan las caracteristicas principales de funcionamiento sin ahondar en detalles como
materiales, apariencia, costos.
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DENOMINACIÓN
PROPONE
DESCRIPCIÓN
Función
Diseñador
Producir la oscilación de diferentes
cuerpos geométricos para determinar su
momento de inercia
Energía
Diseñador
Humana
Mantenimiento
Diseñador
Ninguno
Dimensiones
Diseñador
Altura máxima 20 cm
Seguridad
Diseñador
No se deben soltar los cuerpos mientras
están oscilando
Construcción y
Montaje
Diseñador
Fácil ensamblaje
Tabla 2. Especificaciones deseadas y requeridas del prototipo
Fuente: Autores (2018).
Con los requerimientos establecidos y revisando equipos de laboratorio, se crea un
prototipo que se muestra en la siguiente figura.
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a)
b)
c)
Figura 1. a) Partes del prototipo. b) Masas montadas sobre el prototipo. c) Esfera montada
sobre el prototipo.
Fuente: Autores (2018).
El objetivo principal es rotar horizontalmente las masas puntuales y los cuerpos
geométricos disco, cilindro hueco, cilindro sólido y esfera respecto a su centro de gravedad, para
ello son sujetados al eje que gira alrededor de un resorte de torsión. La fuerza restauradora del
resorte produce movimientos oscilatorios en un tiempo determinado que puede ser medido con
un cronómetro, de esta manera se puede calcular el momento de inercia ICM (kg.m2) con la
ecuación 3 sabiendo que la constante del resorte es igual a 0,045 N/m dato obtenido del
fabricante; los datos de masa y radio son medidos para cada cuerpo ya que estos valores permiten
determinar el momento de inercia teórico.
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Resultados y Discusión.
La primera experimentación es con masas puntuales de 239 g ubicadas a diferentes radios
del centro de rotación que van des de 5 hasta 50 cm con incrementos de 5 cm y tomando el
tiempo de oscilación con 5 repeticiones, el momento de inercia es determinado con la ecuación 3
que está en función del período y se resta la inercia producida por la barra donde se montan las
masas. Además, estos valores son comparados con los momentos de Inercia estimados
teóricamente con la ecuación 1 y se presentan en la siguiente figura que indica el tipo de
correlación mediante el coeficiente de correlación lineal de Pearson (R2).
Figura 2. Correlación entre la inercia estimada y la inercia real en experimento con masas
puntuales.
Fuente: Autores (2018).
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En una segunda etapa de experimentación, se adaptan diferentes cuerpos geométricos
regulares para determinar su momento de inercia ser comparados teóricamente. El procedimiento
se basa en la medición del periodo de oscilación para aplicar la ecuación 3 y los valores
estimados se obtiene de las fórmulas de la tabla 1, en la tabla siguiente se muestra el cotejo de
resultados y el error cuadrático medio calculado con la ecuación 4 y que tiene finalidad de
validar el experimento si el error no supera el 5%.
󰇟󰇛󰇜󰇠
 (4)
Donde i indica cada uno de los datos del momento de inercia estimado(Iest) y real (Ii) para
5 repeticiones (n=5).
CUERPO
GEOMÉTRICO
MOMENTO DE
INERCIA ESTIMADA
(kg. m2)
MOMENTO DE
INERCIA REAL (kg.
m2)
ERROR E
Cilindro hueco
1,022 x10-3
8,980 x10-4
5,54 x10-3
Cilindro sólido
disco
9,970 x10-4
7,790 x10-4
9,74 x10-3
Barra
5,675 x10-3
5,120 x10-3
2,4 x10-3
Disco
6,012 x10-3
5,890x10-3
5.45 x10-3
Esfera
2,308 x10-3
2,100 x10-3
8,84 x10-3
Tabla 3. Resultados de los momentos de inercia para cuerpos geométricos regulares.
Fuente: Autores (2018).
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Estos valores de error indican una buena precisión del prototipo y es apto para la
experimentación y determinación de los momentos de inercia.
Evaluación del método de aprendizaje
La evaluación trata de medir el impacto que causa en los estudiantes este tipo de
experiencias siguiendo la estrategia metodológica de aprendizaje basado en proyectos, para ello
se utilizó una encuesta en la que se indaga sobre la influencia del proyecto de prototipo en la
adquisición y aplicación de conocimientos de la dinámica rotacional, esta técnica es muy usada y
se han obtenido buenos resultados en trabajos similares () Esta encuesta se realizó a 36
estudiantes de ingeniería mecánica en el año 2017 que participaron en la elaboración del
prototipo y la realización de la práctica con la toma de datos y análisis de resultados. La encuesta
se contesta señalando SI o NO o con un rango de 1 a 5, en el que indica que la respuesta valorada
con 1 no aprendí nada, 2 aprendí poco, 3 aprendí, 4 aprendí bien y 5 aprendí muy bien. Las
preguntas realizadas se muestran en la siguiente tabla.
PREGUNTAS
RESPUESTAS
1. ¿Cree que el proyecto realizado en la asignatura es necesario para su
formación profesional?
SI__ NO__
2. ¿Cree que se maneje un número máximo de proyectos durante el
semestre?. ¿Si su respuesta es si cuanto sería el máximo de proyectos?
SI__ NO__
3. ¿Esta de acuerdo que el proyecto sea parte de la calificación al final del
semestre?
SI__ NO__
Responda del 1 al 5 cuanto aprendió en las actividades desarrolladas en el proyecto
4. En la planeación detallada del prototipo antes de construirlo
(1 al 5) ____
5. En la aplicación de la teoría de dinámica rotacional para el diseño de
experimentos
(1 al 5) ____
6. En la interpretación de los datos obtenidos experimentalmente y
posterior análisis de resultados
(1 al 5) ____
Tabla 4. Preguntas de la encuesta realizada e estudiantes
Fuente: Autores (2018).
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En las tres primeras preguntas se trata de identificar la importancia que le dan al proyecto
y el grado de aceptación en cuanto al número de proyectos por semestre y la calificación que
recibe el mismo en su nota final. Los resultados en porcentaje de las preguntas se muestran en la
siguiente tabla y del número de estudiantes que respondieron que si se debe establecer un
número máximo de proyectos todos indicaron que fuera de máximo 1 por semestre.
Figura 3. Porcentaje de las respuestas en las preguntas 1, 2 y 3.
Fuente: Autores (2018).
En la pregunta 4 se trata de medir que tanto se aprendió en la etapa de planeación, donde
se debe empezar con la ideación del prototipo y agregarle especificaciones de diseño para que
cumpla con las funciones requeridas, también en esta etapa se debe identificar los materiales,
instrumentos y equipos que se van a utilizar para finalmente determinar el alcance y limitaciones
del equipo, los resultados muestran un gran porcentaje de aprendizaje cabe mencionar que los
conocimientos adquiridos involucran otras áreas de conocimiento tales como el diseño
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conceptual, instrumentación análisis de costos y materiales. Luego en la pregunta 5 se mide que
tanto aprendió el estudiante de la teoría de dinámica rotacional con una revisión bibliográfica de
principios, conceptos y teoremas, además, la aplicación de fórmulas y análisis de variables; sin
éstos conceptos sería imposible estructurar la práctica de laboratorio ya que es la fundamentación
para la toma de datos, cálculos, gráficas e interpretación del fenómeno físico. Por último, en la
pregunta 6 se trata de estimar que tanto se aprendió al momento de relacionar los datos obtenidos
con lo observado en el experimento, es la comprensión del fenómeno y como afectan las
variables; cuando se tiene esta compresión se puede fácilmente relacionar problemas y
aplicaciones prácticas sean relacionadas a la carrera o la vida cotidiana. Todos estos resultados se
muestran en la siguiente figura.
a)
b)
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c)
Figura 4. Respuestas de la pregunta a) 4, b) 5 y c) 6.
Fuente: Autores (2018).
Conclusiones.
Como se puede observar en los resultados de la encuesta, existe una buena asimilación de
conocimientos con la metodología aplicada, otros resultados que no se evidencian en números,
pero si en la ejecución del proyecto es la mejoría en la comunicación entre los integrantes y el
profesor, además permite desarrollar competencias de trabajo en equipo y de colaboración. Los
porcentajes de aprendizaje son mayores en la etapa de interpretación de resultados con un 75%
de estudiante que manifiestan que aprendieron bien y un 23% de estudiantes que aprendieron
muy bien; estos resultados también se vieron reflejados en un mejor rendimiento académico y
mayor motivación y mejor actitud hacia la materia, se puede sugerir para trabajos posteriores
tratar de evaluar todas la capacidades y competencias que no se abarcó en el presente artículo y
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tratar de replicar esta metodología en otras asignaturas de la carrera para comparar y evaluar
resultados, cabe mencionar que si se vienen desarrollando este tipo de proyectos que incluso
tratan de ser multidisciplinares entre algunas asignaturas del mismo nivel, pero no se han
evaluado este tipo de experiencias. En cuanto al prototipo surge la idea de poder utilizarlo en la
práctica de ejes paralelos o incluso tratar de determinar el momento de inercia de cuerpos
irregulares y poder compararlos con valores teóricos, queda a criterio de los docentes y
estudiantes de próximos períodos ampliar el uso del prototipo dentro del estudio de la dinámica
rotacional.
Se logró construir un prototipo para la determinación de los momentos de inercia
aplicados a masas puntuales y cuerpos geométricos regulares, existe una buena correlación de
datos y un bajo porcentaje de error lo que permite tener la certeza de los resultados y de la
funcionalidad del prototipo. Se incluyó temáticas del estudio de la física tales como: Centros de
masa, movimiento circular, movimiento armónico simple, torques, elasticidad. La relación de los
varios temas tratados le permite al estudiante tener un amplio conocimiento de los fenómenos
físicos y le prepara para la aplicación a problemas reales.
Se mejoraron las capacidades del estudiante de trabajo en equipo comunicación, además
se utilizó el principio del diseño conceptual y un breve análisis de costos, con esto se insertan
conocimientos básicos que serán desarrollados en asignaturas posteriores de la carrera, además al
método de aprendizaje basado en proyectos le permite al profesor de la materia evaluar muchas
capacidades que pasan por alto en los sistemas tradicionales de calificación.
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Article
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  • P E Banks
An Inexpensive Moment of Inertia Experiment, Banks, P. E. (2005). The Physics Teacher 43, 389-390
Prototipo para la enseñanza de la dinámica rotacional (Momentos de Inercia y Teorema de Ejes Paralelos)
Prototipo para la enseñanza de la dinámica rotacional (Momentos de Inercia y Teorema de Ejes Paralelos). Collazos A. (2009). Lat. Am. J. Phys. Educ. Vol.3. Pag 619 -624
Algunas consideraciones alrededor de la concepción constructiva de las ciencias experimentales
Algunas consideraciones alrededor de la concepción constructiva de las ciencias experimentales. Cartaña J, Comás M. (1994).
aprendizaje basado en proyectos
  • Evaluación
  • E Sandoval
  • E Vargas
  • J Luna
Evaluación de la estrategia "aprendizaje basado en proyectos". Sandoval E, Vargas E, Luna J. (2009). Universidad de la Sabana. Educ. Educ. Pag 13-25.
  • Física Para Ciencia E Ingeniería
  • R Serway
  • J Jewett
Física para ciencia e ingeniería. Serway R, Jewett J. (2005). Cengage. Vol 1. Séptima edición.
Una metodología integradora
  • Ingeniería Concurrente
Ingeniería Concurrente: Una metodología integradora. Riba C, M. A. (2006). Barcelona: Edicions UPC.
Interactive engagement vs traditional methods: a six thousand student survey of mechanics test data for introductory physic
Interactive engagement vs traditional methods: a six thousand student survey of mechanics test data for introductory physic. Hake R. (1998). Am.J. Phys. Pag 64-74