Índice. Página. Práctica. Actividades. No. 1 Vectores 3. No. 2 Trabajo y Energía (Fricción) 7. No. 3 Poleas 10. No. 4 Segunda Ley de Newton 14

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2 Índice Página Práctica No. 1 Vectores 3 No. 2 Trabajo y Energía (Fricción) 7 No. 3 Poleas 10 No. 4 Segunda Ley de Newton 14 No. 5 Cantidad de Movimiento Angular 16 Actividades Actividad 1. Fricción 19 Actividad 2. Poleas 20 2 Colegio de Bachilleres de BCS

3 Práctica 1. Vectores Objetivo Resolver problemas de equilibrio de los cuerpos mediante el análisis de las variables que están involucradas en el sistema de fuerzas concurrentes, por el método del paralelogramo. Repaso de conceptos y habilidades La estática es la parte de la mecánica que estudia las condiciones bajo las cuales los cuerpos están en reposo. Según este criterio, la estática es un caso particular de la dinámica, es decir, estudia aquellos cuerpos o sistemas que no están en movimiento continuo. Un sistema de vectores es concurrente cuando la dirección o línea de acción de los vectores se cruza en algún punto, dicho punto constituye el punto de aplicación de los vectores. La resultante de un sistema de vectores es aquel vector que produce el mismo efecto de los demás vectores integrantes del sistema. El vector encargado de equilibrar un sistema de vectores recibe el nombre de equilibrante, tiene la misma magnitud y dirección que la resultante, pero con sentido contrario. Para sumar magnitudes vectoriales empleamos métodos gráficos, como el del paralelogramo o el del polígono, y métodos analíticos, porque los vectores no pueden sumarse aritméticamente por tener dirección y sentido. Materiales: Laboratorio: 3 dinamómetros 2 soportes universales 1 soporte de cruz 1 plomada. 3 trozos de piola o cordón. Alumnos: 3 hojas milimétricas 1 Lápiz 1 Calculadora 2 transportadores. 1 regla graduada 1 argolla metálica Experimento 1: Sujete tres cordones a la argolla metálica como se ve en la figura 1, que se muestra a continuación. Con ayuda de otros dos compañeros tire cada uno un extremo de los cordones, de tal manera que la argolla no se mueva. Cuál es su conclusión acerca de las fuerzas que actúan sobre la argolla? Enganche un dinamómetro a cada extremo de los cordones y registre la lectura de cada dinamómetro cuando el sistema quede en equilibrio. Colegio de Bachilleres de BCS 3

4 F1 F2 F3 FIGURA 1: Sistema de fuerzas concurrentes Coloque debajo de las argollas una hoja de papel y trace sobre ella las líneas correspondientes a las posiciones de los cordones. Anote en cada trazo el valor de la lectura de los dinamómetros en la tabla 1, así como el ángulo que forman entre sí, medido con su transportador. Con los trazos hechos en la hoja y mediante una escala conveniente, represente el diagrama vectorial. Considere la fuerza F 3, como la equilibrante de las otras dos fuerzas: F 1 y F 2. Compare el valor de F 3, leído en el dinamómetro, con el obtenido gráficamente al sumar F 1 y F 2 por el método del paralelogramo. TABLA 1: Recolección de datos FUERZAS ANGULO DINAMÓMETRO OBSERVACIONES ( ) (Kgf) F1 F2 F3 Experimento 2: Enganche un dinamómetro a cada extremo de los cordones y monte un dispositivo como el mostrado en la figura 2. Registre la lectura de cada dinamómetro cuando el sistema quede en equilibrio. FIGURA 2: Sistema de fuerzas concurrentes 4 Colegio de Bachilleres de BCS

5 Considere las fuerzas que están involucradas en la figura 2, las cuales se leen en cada uno de los dinamómetros y transportadores y anota las lecturas en la tabla 2. Mueve hacia la derecha y a la izquierda la plomada y los datos arrojados por el dinamómetro y el transportador anótalos en la tabla 2. Cálculos, mediciones y tablas: TABLA 2: Recolección de datos FUERZAS ANGULO FX FY Cuestionario: 1. Qué condición se debe cumplir para que un cuerpo esté en equilibrio? 2. Cómo se determina la resultante de dos fuerzas concurrentes en forma gráfica? 3. Cómo define a la resultante de un sistema de fuerzas? 4. Qué características tiene la equilibrante de un sistema de fuerzas? 5. Qué método gráfico utilizaría para sumar tres o más fuerzas concurrentes? 6. Por qué decimos que cualquiera de las fuerzas concurrentes puede considerarse como la equilibrante de las fuerzas que forman al sistema? Colegio de Bachilleres de BCS 5

6 7. Cómo se clasifican los sistemas de fuerzas? Conclusiones: ACREDITACION DE LA PRÁCTICA 1 FECHA: 6 Colegio de Bachilleres de BCS

7 Práctica 2. Trabajo y Energía (Fricción) Temas Selectos de Física Objetivo Determinar cuantitativamente el trabajo que debe realizarse para mover un cuerpo (Caja de Madera), de un lugar a otro en un tiempo determinado. Repaso de conceptos y habilidades Cuando nosotros oímos hablar de trabajo, inmediatamente viene a nuestra mente algo que implique un esfuerzo fisiológico y que nos provoca cansancio; sin embargo, está interpretación poco tiene que ver con la forma de conceptuar el trabajo en Física. Se realiza trabajo cuando un cuerpo se mueve por la aplicación de una fuerza. Por lo tanto la definición de trabajo quedaría como sigue: El trabajo es una magnitud escalar producido sólo cuando una fuerza mueve un cuerpo en su misma dirección. Su valor se calcula multiplicando la magnitud de la componente de la fuerza localizada en la misma dirección en que se efectúa el movimiento del cuerpo, por el desplazamiento que éste realiza. T = F cosθ d En términos generales la energía se define como la capacidad que tienen los cuerpos para realizar un trabajo. Materiales: LABORATORIO 1 dinamómetro 1 cronómetro 1 flexometro ALUMNO 1 Caja de Madera 1 block Un trozo de cuerda de 8.5 m de longitud Un marcador de color negro Procedimiento 1. El profesor mostrará un lugar adecuado para instalar el equipo, para este caso se usará la cancha deportiva. 2. Primeramente trazar en el piso de la cancha una línea de 10 m con una indicación de cada metro hasta el final. 3. Colocar a una persona en cada marca de un metro con cuaderno, lápiz y cronometro para la toma de datos. 4. Colocar la caja de madera en posición de inicio, la cual deberá estar amarrada con la cuerda y graduada a cierto ángulo respecto al piso. 5. Al inicio de la cuerda y después de la caja colocar el dinamómetro. 6. Proceder a halar la caja de madera con el bloque en su parte interior mediante una fuerza aplicada al otro extremo de la cuerda. 7. Tomar las lecturas correspondientes y registrarlas en la siguiente tabla: Colegio de Bachilleres de BCS 7

8 Cálculos, mediciones y tablas: Distancia Angulo ( m ) ( ) Determinación del trabajo realizado Fuerza Fuerza Tiempo ( Kgf ) ( Nw) (s) Trabajo = F X d X cos Esquema: Caja de madera Ángulo Dinamómetro F Piso 10 m Cuestionario: 1. Cómo defines con tus propias palabras lo que es Trabajo mecánico? 2. Qué variables consideras importantes para calcular el trabajo mecánico? 8 Colegio de Bachilleres de BCS

9 3. En nuestra vida cotidiana, donde identificas que se realice un trabajo mecánico? 4. Crees que el trabajo que se realizó en está practica, la fuerza aplicada fue constante o variable? 5. Crees que un burro al llevar una carga de leña en el lomo, realiza un trabajo mecánico? Si o No. Porque: Conclusiones: ACREDITACION DE LA PRÁCTICA 2 FECHA: Colegio de Bachilleres de BCS 9

10 Práctica 3. Poleas Objetivo Encontrar la ventaja mecánica y la eficiencia de varios sistemas diferentes de poleas. Repaso de conceptos y habilidades Las poleas son máquinas simples que pueden utilizarse para cambiar la dirección de una fuerza, reducir la fuerza necesaria para mover una carga a cierta distancia o aumentar la rapidez a la cual la carga está movimiento, pero no cambian la cantidad de trabajo efectuado. Sin embargo, si se reduce la fuerza efectiva requerida, la distancia que recorre la carga disminuye en proporción a la distancia que recorre la fuerza. Los sistemas de poleas pueden contener una sola polea o combinación de poleas fijas y móviles. En una máquina ideal, en la que no hay fricción, toda la energía se transfiere y el trabajo de entrada del sistema es igual al trabajo de salida. El trabajo de entrada es igual a la fuerza multiplicada por la distancia que dicha fuerza recorre, F e d e. El trabajo de salida es igual a la fuerza de salida (carga) multiplicada por la distancia recorrida, F r d r. La ventaja mecánica ideal, VMI, del sistema de poleas puede encontrarse dividiendo la distancia producto de la fuerza entre la distancia que la carga se desplaza. De tal modo, VMI = d e / d r. La máquina ideal tienen una eficiencia de 100 %. En el mundo real, sin embargo, las eficiencias medidas son menores que 100%. La eficiencia se encuentra por medio de: Trabajo de salida Eficiencia = 100 % Trabajo de entrada Materiales: Laboratorio: - 2 poleas simples - 2 poleas dobles - conjunto de masas métricas con gancho - Dinamómetro - Soporte de polea Alumno: - Cuerda (2 m) - Metro Procedimiento 1. Monte el sistema de una polea fija, Como se muestra en la figura 1 (a). 2. Seleccione una masa que pueda medirse en su dinamómetro, Registre el valor de su masa en la tabla 1. Determine el peso, en newtons, de la masa que va a levantarse multiplicando su masa en kilogramos por la aceleración de la gravedad. Recuerde que W = mg. 10 Colegio de Bachilleres de BCS

11 Figura Levante con cuidado la masa jalándola con el dinamómetro. Mida la altura, en metros, que la masa se levanta. Anote este valor en la tabla 1. Calcule el trabajo de salida de la masa multiplicando su peso por la altura que se eleva. Registre este valor en la tabla Mediante el empleo del dinamómetro levante la masa a la misma altura que se elevó en el paso 3. Pida a su compañero de práctica que lea, directamente en el dinamómetro, la fuerza, en newtons, requerida para elevar la masa.. (Si su dinamómetro esta equilibrado en gramos, en lugar de newtons, calcule la fuerza multiplicando la lectura expresada en kilogramos por la aceleración de la gravedad). Anote en la tabla 1 como la fuerza del dinamómetro. Cuando usted esté levantando la carga con el dinamómetro, jale hacia arriba de manera lenta y uniforme, empleando la cantidad de fuerza mínima necesaria para mover la carga. Cualquier fuerza en exceso acelerará la masa y ocasionará un error en sus cálculos. 5. Mida la distancia, en metros, a lo largo de la cual la fuerza actuó para levantar la carga hasta la altura que se elevó. Registre este valor en la tabla 1 como la distancia, d, a lo largo de la cual actúa la fuerza. Determine el trabajo de entrada para levantar la masa multiplicando la lectura de la fuerza del dinamómetro por la distancia a lo largo de la cual actuó la fuerza. Anote el valor para el trabajo de entrada en la tabla Repita los pasos del 2 al 5 para una carga diferente. 7. Repita los pasos del 2 al 6 para cada uno de los diferentes arreglos de poleas en las figuras 1(b), 1 (c) y 1(d). Asegúrese de incluir la masa de la(s) polea(s) como parte de la masa levantada. 8. Cuente el número de hilos elevadores de la cuerda utilizados para soportar el peso o carga en cada arreglo, del (a ) al (d). Registre estos valores en la tabla 2. Colegio de Bachilleres de BCS 11

12 Observaciones y datos Tabla 1. Arreglo de poleas Masa levantada (kg) Peso (W) de la masa (N) Altura (h) que se levanta la masa (m) Fuerza (F) del dinamómetro (N) Distancia (d) a lo largo de la cual actúa la fuerza (m) (a) (b) (c) (d) Tabla 2. Arreglo de poleas Trabajo de salida (Wh) (J) Trabajo de entrada (Wh) (J) VMI (de/dr) VM Número de hilos elevadores Eficiencia (%) (a) (b) (c) (d) Análisis 1. Encuentre la eficiencia de cada sistema. Anote los resultados en la tabla2. Cuáles son algunas razones posibles por las cuales la eficiencia nunca es del 100 %? 2. Calcule la ventaja mecánica ideal, VMI, para cada arreglo dividiendo de entre dr. Registre los resultados en la tabla 2. Qué sucede con la fuerza F, cuando la ventaja mecánica se vuelve más grande? 12 Colegio de Bachilleres de BCS

13 3. Cómo afecta el aumento de la carga a la ventaja mecánica ideal y eficiencia del sistema de poleas? 4. De qué manera el incremento en el número de poleas afecta la ventaja mecánica ideal y la eficiencia del sistema de poleas? 5. La ventaja mecánica también puede determinarse a partir del número de hilos que soportan el peso o carga. Compare la VMI de la pregunta 2 con el número de vueltas de hilo o cuerda que usted contó. Concuerdan los resultados? 6. Explique por qué el siguiente enunciado es falso: una máquina reduce la cantidad de trabajo que usted tiene que efectuar. Indique qué máquina en realidad lo hace. Aplicación En el espacio de abajo, dibuje un sistema de poleas que pueda utilizarse para levantar un bote desde su remolque hasta las vigas de una cochera, tal que la fuerza efectiva se mueva una distancia de 60 m mientras que la carga se desplaza 10m. Conclusiones: ACREDITACION DE LA PRÁCTICA FECHA: Colegio de Bachilleres de BCS 13

14 Práctica 4. Segunda Ley de Newton Objetivo Comprobar que una aceleración o cambio de dirección de un objeto se produce cuando sobre él actúa una fuerza externa. Materiales y sustancias: Laboratorio 1 juego de pesas (pza. 16) 2 poleas (pzas. 12a. Y 12b) 1 carro de hall (pza. 20) 1 metro (pza. 19a) 1 para-choque(pza. 33) 2 nueces dobles (pzas. 53a. y 53b) 1 prensa de mesa (pza. 60a) 1 varilla con soporte (pza. 65) 1 trozo de hilo de cáñamo (pza. 64) Alumno Cronometro o reloj con segundero Las piezas marcadas entre paréntesis se encuentran en el equipo de mecánica. Procedimiento 1. Con el material enlistado, instala el dispositivo que aparece en la figura Sobre la mesa de trabajo coloque el carrito, el cuál deberá estar atado con un cordel suficientemente largo que pase por la garganta de las dos poleas fijas, instaladas en el extremo de la mesa. 3. Ata el otro extremo del cordel a un portapesas de 10 gr., se marca el punto de partida del carrito y, en el momento de partida se pone a funcionar el cronómetro hasta que llegue al lugar previamente marcado, por ejemplo 20 cm. 14 Colegio de Bachilleres de BCS

15 4. Repite el procedimiento anterior partiendo el carrito del punto inicial pero recorriendo ahora distancias mayores como 40 cm, 60 cm, etc. tomando los tiempos con el cronómetro. 5. En cada experiencia calcular la aceleración aplicando la siguiente formula. a = d 2 t donde : a = aceleración d = dis tancia t = tiempo Cálculos, mediciones y tablas: Experimento MASA DISTANCIA ( cm ) TIEMPO ( s ) TIEMPO ( s 2 ) ACELERACIÓN cm 2 s Cuestionario: 1 En qué unidades se puede expresar la aceleración? 2 Se cumple F = ma? ( F= fuerza; m= masa; a=aceleración ) 3 Porqué? Conclusiones: ACREDITACION DE LA PRÁCTICA FECHA: Colegio de Bachilleres de BCS 15

16 Práctica 5. Cantidad de movimiento angular Objetivo Investigar los momentos de torsión y la cantidad de movimiento angular. Materiales: Laboratorio: Alumno: - - Rueda de bicicleta como giroscopio - Banco giratorio o plataforma rotatoria - 2 masas de 3 kg Procedimiento Tenga cuidado mientras efectúa las siguientes actividades. Si usted se marea o siente náuseas es posible que pierda el equilibrio y caiga del banco o la plataforma. 1. Siéntese sobre el banco giratorio o permanezca de pie sobre la plataforma rotatoria y sostenga una masa grande en cada mano. Extienda sus brazos y pida a su compañero que lo haga girar suavemente. Observe qué sucede cuando usted contrae sus brazos hacia adentro. Registre sus observaciones en el punto 1 de la sección Observación y datos. 2. Mientras está sentado sobre el banco giratorio, o de pie en la plataforma, sostenga con ambas manos el eje de la rueda de la bicicleta, como se indica en la figura 1. Su compañero tiene que hacer girar la rueda. Lentamente rote la rueda hacia la derecha levantando su mano izquierda y bajando la derecha. Observe qué sucede. Registre sus observaciones en el punto Cambie posiciones con su compañero de práctica de modo que cada uno tenga un conjunto de observaciones. Figura 1. Se observará el efecto de inclinar una rueda giratoria. 16 Colegio de Bachilleres de BCS

17 Observaciones y datos Punto 1. Punto 2. Temas Selectos de Física Análisis 1. De acuerdo con las observaciones que registró en el punto 1, se conserva su cantidad de movimiento angular? Explique, empleando la ley de la conservación de cantidad de movimiento. 2. Bajo qué condiciones podría cambiar el momento angular de un sistema de masas banco estudiante aislado y cerrado? Describa una de tales condiciones. 3. Utilice sus observaciones del punto 2 para explicar qué sucede en términos de la ley de la conservación de la cantidad de movimiento. Aplicación Si un cilindro uniformemente lleno, tal como un cilindro de madera, y un cilindro hueco medio lleno, como una lata con tierra, ruedan hacia abajo por un plano inclinado, Esperaría usted que llegaran a la parte inferior al mismo tiempo? Inténtelo. Explique sus observaciones en términos de la inercia rotacional. Colegio de Bachilleres de BCS 17

18 Conclusiones: ACREDITACION DE LA PRÁCTICA FECHA: 18 Colegio de Bachilleres de BCS

19 Actividad: 1 TEMA(S): FRICCIÓN GLOBO AERÓBICO MATERIAL 1 CD 1 tapón de corcho 1 tubo vidrio 1 globo Cinta adhesiva PROCEDIMIENTO Inserte el tubo de vidrio en el tapón de corcho, péguelo al CD con la cinta adhesiva, ensamble el globo al tapón y posteriormente ínflelo, inmediatamente coloque el dispositivo sobre la mesa, dé un pequeño impulso al dispositivo, primero cuando el globo esta lleno de aire y después sin aire. Qué sucede en ambos casos? EXPLICACIÓN En el primer caso el dispositivo se desliza con gran facilidad, debido a que al dejar escapar el aire entre el CD y la superficie de la mesa se rompe la fricción que existe entre ellos; y en el segundo caso al no existir el colchón de aire, la fricción entre el CD y la superficie es mucho mayor, por lo tanto, se desliza con mayor dificultad. Tiempo de duración: 5 minutos Colegio de Bachilleres de BCS 19

20 Actividad: 2 TEMA(S): POLEAS DESPLAZA GRANDES PESOS EJERCIENDO FUERZAS PEQUEÑAS MATERIAL 2 Varillas 1 cuerda PROCEDIMIENTO Pida a cuatro compañeros que sujeten el mango de las varillas, una cerca de la otra. Amarre la cuerda en uno de los extremos y haga que esta cuerda pase alrededor de los mangos, como se indica en la figura de este problema. Pida, después, a sus compañeros que traten de separar las varillas, mientras que usted jala el extremo libre de la cuerda, tratando de aproximarlas. Observe que, fácilmente, usted vencerá en la competencia. Si se tiene en cuenta lo que fue analizado acerca del funcionamiento de las poleas, trate de explicar cómo y cuántas veces su fuerza se multiplico. Tiempo de duración: 5 minutos 20 Colegio de Bachilleres de BCS