SEGUNDA LEY DE NEWTON. MÁQUINA DE ATWOOD (SISTEMA DE FOTOCOMPUERTA Y POLEA).

Transcripción

1 SEGUNDA LEY DE NEWTON. MÁQUINA DE ATWOOD (SISTEMA DE FOTOCOMPUERTA Y POLEA). Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 10. Teacher s Guide Volumen 1. Pág. 89. Student Workbook Volumen 1. Pág. 63. EQUIPOS REQUERIDOS: Ssitema de Fotocompuerta y Polea Masas y Sostenedores Cuerda Tabla Universal OBJETIVOS: Al finalizar la práctica, el estudiante debe estar en la capacidad de: * Utilizar el Sistema de Fotocompuerta y Polea para medir la velocidad de masas aceleradas. * Determinar gráficamente con el software de Data Studio la aceleración de las masas. * Calcular el valor teórico de la aceleración. * Comparar el valor teórico de la aceleración con el valor experimental obtenido. TEORÍA La aceleración de un objeto depende de la fuerza neta y de la masa del objeto. En una máquina de Atwood, la diferencia de peso entre dos masas colgantes determina la fuerza neta que actúa sobre el sistema conformado por ambas masas. Esta fuerza neta acelera ambas masas colgantes; la masa más pesada es acelerada hacia abajo y la más liviana es acelerada hacia arriba. Basándose en el diagrama de cuerpo libre, T es la tensión en la cuerda, M 2 > M 1, y g es la aceleración de la gravedad. Considerando que hacia arriba las fuerzas son positivas y hacia abajo negativas, las ecuaciones de fuerza neta para M 1 y M 2 son las siguientes: Suponiendo que la polea es de masa despreciable, que la fricción es nula y que la cuerda es de masa despreciable e inextensible, entonces T 1 = T 2. Despejando a, la aceleración del sistema de ambas masas, la aceleración teórica es g veces la diferencia entre las masas dividida por el total de las masas.

2 PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO. 1. Conecte la interface del ScienceWorkshop al computador, encienda la interface y encienda el computador. 2. Conecte el plug de la Fotocompuerta al canal digital 1 de la interface. 3. En la pantalla principal, haga un click en Data Studio para abrir el archivo, a continuación aparecen cuatro opciones, escoja Crear Experimento y realice un doble click. Puede visualizarse en la pantalla del computador una fotografía del Scienceworkshop. Haga un click en la línea de los canales para añadir el sensor. Línea de canales En la pantalla se despliega una ventana para escoger el Sensor Digital. Para esta práctica, seleccione la opción Polea Inteligente y dele un click a aceptar. Nota: La longitud de arco de la polea está fijada en m. Si está utilizando una polea diferente, cambie la longitud de arco en el sensor de ventana haciendo doble click en el icono del sensor en la ventana de configuración del experimento.

3 PARTE II: CALIBRACIÓN DEL SENSOR Y CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO. No es necesario calibrar el sensor. 1. Monte el sujetador en el borde de una mesa. 2. Utilice la vara sostenedora de la polea para adjuntar la polea a la lengüeta de la Fotocompuerta. 3. Coloque el Sistema de Fotocompuerta y Polea en el sujetador para que la varilla quede horizontal. 4. Use un pedazo de cuerda de unos 10 cm más largo que la distancia desde la parte superior de la polea hasta el piso o mesa. Coloque la cuerda en la ranura de la polea. 5. Coloque portamasas o sostenedores a cada extremo de la cuerda. Para atar la cuerda al sostenedor, anude y enrolle alrededor de 5 veces. 6. Coloque unos 100 gramos de masa en un sostenedor y registre la masa total de M 1 en la tabla de datos del Post-laboratorio. (Asegúrese de incluir los 5 gramos de la masa del sostenedor en la masa total). En el otro sostenedor, coloque un poco más de masa, unos 110 gramos, para que M 2 sea ligeramente mayor que M 1. Registre el valor de M 2 en la tabla de datos. (Recuerde los 5 gr de masa del sostenedor). 7. Mueva el sostenedor de M 2 hacia arriba hasta que casi toque a la polea. Sostenga a M 2 para que no se caiga. Gire la polea de modo que el haz de la Fotocompuerta no se bloquee (el diodo emisor de luz roja (LED) en la Fotocompuerta no debe encenderse). PARTE IIIA: TOMA DE DATOS MASA TOTAL CONSTANTE. 1. En la parte inferior, observe el menú Pantallas. Al hacer click en Gráfico, el programa le permite escoger el tipo de gráfico que usted desea visualizar. Incluso puede nuevamente hacer click en gráfico y escoger otro de su interés. Los gráficos se superponen, ruede con el mouse. La opción tabla del mismo menú, le permite ir viendo los datos en el computador de forma tabulada, en el mismo momento en que son tomados. Se recomienda para esta práctica desplegar los gráficos de posición versus tiempo y de velocidad versus tiempo.

4 INICIO GRAFICO TABLA 2. Inicie el registro de datos dándole un click al botón de Inicio que está en la parte superior de la pantalla. 3. Suelte el sostenedor de M 2 y deje caer. Detenga la grabación justo antes de que el sostenedor de M 1 llegue hasta la polea. No deje que la masa en movimiento golpee a la polea. El botón Detener está en el mismo lugar donde antes decía Inicio. Para observar mejor la(s) gráfica(s), seleccione el ícono Optimizar Escala (en la parte superior del gráfico) y automáticamente el programa adecúa los ejes a los datos del experimento. 4. Determine la aceleración experimental. En el gráfico de Velocidad vs. Tiempo, utilice el cursor para hacer click y dibujar un rectángulo en torno a una región que sea relativamente recta. Haga un click en el ícono Ajustar (en la parte superior del gráfico) y seleccione ajuste lineal, el programa muestra la recta de ajuste, cuya pendiente representa la aceleración experimental de las masas para la corrida nro. 1. Anote este valor en la tabla de datos. Optimizar escala Herramienta de Ajuste

5 5. Repetir los pasos anteriores, para crear cuatro combinaciones más de masas. Es decir, se obtendrán las corridas 2, 3, 4 y 5. Para cada caso, la idea es que la fuerza neta varíe, pero la masa total del sistema permanecerá constante. Por ejemplo, para la Corrida nro. 2, mueva una masa del sostenedor de M 2 y pásela a M 1. Este proceso cambia la fuerza neta, sin cambiar la masa total del sistema. Registre la nueva masa de cada sostenedor en la tabla de datos. Determine la aceleración experimental para este caso. Para la Corrida nro. 3, mueva otra masa del sostenedor de M 2 y pásela a M 1 y así sucesivamente hasta completar las 5 corridas. Recuerde que para cada caso debe registrar en la tabla las masas de los sostenedores (M 1 y M 2 ), así como la aceleración experimental. PARTE IIIB: TOMA DE DATOS FUERZA NETA CONSTANTE. 1. Colocar las masas tal y como estaban en la Corrida nro. 1. (Recuerde que M 2 era ligeramente mayor que M 1 ). Ahora, lo que se pretende es cambiar la masa total del sistema, pero manteniendo la misma fuerza neta. Para ello, hay que añadir exactamente la misma cantidad de masa a los dos sujetadores. 2. Añadir 10 g de masa a cada sujetador. Registre la nueva masa total de cada sostenedor en la tabla de datos. (Corrida nro. 6). Suelte el sujetador M 2 y déjelo caer. Comience a tomar los datos. Detenga la grabación justo antes de que el sujetador M 1 toque la polea. Determine la aceleración experimental. 3. Repita el paso anterior (añada siempre 10 g más de masa a cada sujetador) para crear cuatro corridas más. Para cada corrida, la fuerza neta permanece constante, pero la masa total del sistema cambia. Recuerde que para cada caso debe registrar en la tabla las masas de los sostenedores (M 1 y M 2 ), así como la aceleración experimental. ANALIZANDO LOS DATOS 1. Para cada una de las corridas, utilizando los valores de las masas, calcule y registre la fuerza neta en la tabla de datos. Fnet = (M 2 M 1 ) g 2. Utilizando la masa total y la fuerza neta, calcule la aceleración teórica, a través de la ecuación: a = Fnet / (M 1 +M 2 ) 3. Para cada corrida, calcule y registre la diferencia porcentual entre la aceleración experimental y la aceleración teórica. POST-LABORATORIO Cómo se aplica en la vida real la máquina de Atwood?

6 Tabla de Datos: Masa Total Constante Corrida M 1 1 M 2 a exp F neta (N) M 1 + M 2 a teor Diferencia Porcentual Tabla de Datos: Fuerza Neta Constante Corrida M 1 6 M 2 a exp F neta (N) M 1 + M 2 a teor Diferencia Porcentual Preguntas: 1. Compare la aceleración experimental con la aceleración teórica, determinando la diferencia porcentual. Qué causas podrían considerarse para esta diferencia porcentual?. 2. Para los datos de masa total constante, realice un gráfico de Fuerza neta vs. aceleración experimental. Nota: Incluya un signo negativo para la aceleración cuando M 1 es mayor que M 2. Anexe el gráfico al post-laboratorio. 3. Dibuje la mejor línea de ajuste en el gráfico. Qué representa la pendiente de ésta línea?. 4. Cómo el gráfico de Fuerza vs. aceleración se relaciona con la Segunda Ley de Newton?.