Análisis Relativista del comportamiento de micro-naves con velas solares para su divulgación e implementación en el aula mediante metodología "Peer-Instruction".

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

This thesis presents an analysis of the behavior of micro-ships with solar sails powered by direct energy systems, applying the principles of special relativity. The research focuses on how these ships, propelled by radiation pressure, can reach relativistic speeds (around 20% of the speed of light) and the physical and energetic implications of such movement, which include the use of direct energy systems, such as electromagnetic radiation emitters that can be located in facilities on the Earth's surface, and pointing many of these emitters to generate enough power to cause acceleration. To do so, fundamental concepts such as time dilation, space contraction, kinetic energy and relativistic momentum are reviewed, analyzing their relevance in the context of large-scale space explorations, such as the Starshot project, which proposes sending micro-ships to nearby star systems such as Alpha Centauri.The study also addresses the didactic implementation of these concepts using the "Peer Instruction" methodology, a pedagogical approach based on peer instruction, which facilitates collaborative learning and the development of critical thinking in students. The goal is to make relativistic phenomena accessible and understandable for physics students, connecting theory with practical applications through the analysis of concrete cases such as solar sail micro-craft.Finally, a micro-class is proposed that adapts these concepts to the classroom, using evaluation metrics such as Hake's Gain Factor and Bao and Redish's Concentration Factor to measure the impact on student learning. The study concludes with recommendations on the feasibility of integrating these concepts and methodologies into the teaching of modern physics.

Descripción

Este trabajo de grado presenta un análisis del comportamiento de micro-naves con velas solares impulsadas mediante sistemas de energía directa, aplicando los principios de la relatividad especial. La investigación se enfoca en cómo estas naves, propulsadas por la presión de radiación, pueden alcanzar velocidades relativistas (alrededor del 20\% de la velocidad de la luz) y las implicaciones físicas y energéticas de dicho movimiento, las cuales incluyen el uso sistemas de energía directa, como lo son emisores de radicación electromagnética que pueden ser ubicados en instalaciones en la superficie terrestre, y apuntarse muchos de esos emisores para generar la potencia suficiente para originar la aceleración. Para ello, se revisan conceptos fundamentales como la dilatación temporal, la contracción espacial, la energía cinética y el impulso relativista, analizando su relevancia en el contexto de exploraciones espaciales a gran escala, como el proyecto Starshot, que propone enviar micro-naves a sistemas estelares cercanos como Alfa Centauri. El estudio también aborda la implementación didáctica de estos conceptos mediante la metodología "Peer Instruction", un enfoque pedagógico basado en la instrucción entre pares, que facilita el aprendizaje colaborativo y el desarrollo del pensamiento crítico en los estudiantes. El objetivo es hacer accesibles y comprensibles los fenómenos relativistas para estudiantes de física, conectando la teoría con aplicaciones prácticas a través del análisis de casos concretos como las micro-naves de vela solar. Finalmente, se propone una micro-clase que adapta estos conceptos al aula de clase, utilizando métricas de evaluación como el Factor de Ganancia de Hake y el Factor de Concentración de Bao y Redish para medir el impacto en el aprendizaje de los estudiantes. El estudio concluye con recomendaciones sobre la viabilidad de integrar estos conceptos y metodologías en la enseñanza de la física moderna.

Palabras clave

Relatividad especial, Micro naves, Vela solar, Instrucción por pares

Materias

Licenciatura en Física -- Tesis y disertaciones académicas , Relatividad especial y propulsión de micro-naves con velas solares , Peer-Instruction y enseñanza de la física moderna , Divulgación científica de conceptos relativistas a través de aplicaciones espaciales

Citación