Experiencia: Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado

Transcripción

1 Experiencia: Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado Interfase ScienceWorkshop Pasco Sensor de Movimiento Pasco OBJETIVO El objetivo de este experimento es calcular la aceleración de un carro dinámico que se mueve hacia arriba y hacia abajo en un plano inclinado. La determinación de la posición, velocidad y aceleración en función del tiempo se determina por medio de un sistema de captura de datos en tiempo real, que en esta experiencia se realiza mediante un sensor de posición o sensor de movimiento, el cual utiliza de pulsos de ultrasonido para detectar la posición. Por medio de un software ScienceWorkshop o Data Studio Pasco esos datos se pueden almacenar y presentar como Tabla de Datos, Gráficos de posición, velocidad o aceleración en función del tiempo u otras formas de visualizar las mediciones y datos calculados. IDEAS PREVIAS Un carro dinámico que se encuentra en reposo sobre una superficie horizontal perfectamente nivelada es empujado hacia abajo por la fuerza de gravedad (peso). La fuerza de gravedad es contrarrestada por la fuerza (reacción) que la superficie de apoyo ejerce sobre las ruedas. Por lo tanto, como no hay fuerza neta hacia arriba o hacia abajo actuando sobre el carro (fuerza resultante nula), el carro no se mueve. LA FUERZA DE GRAVEDAD (PESO) ATRAE EL CARRO HACIA ABAJO Si el carro se deja caer verticalmente también es atraído hacia abajo por la fuerza de gravedad. Si ignoramos la resistencia del aire sobre el carro, la única fuerza que actúa sobre el carro es la fuerza de gravedad. Debido a esta atracción el carro no solamente cae sino que su velocidad aumenta en la caída. Podemos decir que gana velocidad a un ritmo constante de 9.8 metros por segundo cada segundo. Este cambio de velocidad está definido por la aceleración de la gravedad, magnitud que se representa por la letra g = 9.8 m/s 2 (valor aproximado de g terrestre). Si el carro se coloca sobre un plano inclinado, también se mueve hacia abajo debido a la fuerza de gravedad. La diferencia es que una componente del peso empuja el carro a lo largo del plano provocando su caída. Otra componente del peso empuja el carro contra el plano. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 1

2 Matemáticamente, la componente de la fuerza de gravedad que empuja el carro a lo largo del plano inclinado es mg sen θ, donde m es la masa del carro, g es la aceleración debido a la gravedad y θ es el ángulo de inclinación del plano con respecto a la horizontal. Por otra parte, la componente de la fuerza de gravedad que empuja el carro contra el plano inclinado es mg cos θ. Si colocamos el carro en la parte baja del plano y lo impulsamos hacia arriba por medio de una fuerza instantánea (un golpe), el carro irá perdiendo velocidad a medida que sube por el plano, tendrá una velocidad cero en el punto más alto de su recorrido y su velocidad irá aumentando cuando empieza a descender. PROCEDIMIENTO MEDIDAS DE SEGURIDAD Usted va a utilizar equipo sofisticado y delicado. Siga todas las instrucciones para el uso correcto del equipo en este experimento. UTILIZACIÓN DEL SISTEMA PASCO UTILIZACIÓN DE LA INTERFASE 750 ATENCIÓN: Parte de estos procedimientos pueden haber sido completados antes de la realización del práctico. No los ejecute a menos que se lo indiquen. 1. Antes de prender la computadora, prender la Interfase Pasco (el interruptor se encuentra en la parte posterior derecha), verificar que se enciende el LED verde en el frente de la interfase. 2. Prender la computadora. Cuando termine de abrir. 3. Seleccionar el ícono del programa de DataStudio (pulsándolo dos veces) Aparecerá una pantalla de presentación similar a la que se muestra a la derecha. 4. Doble clic en Create Experiment. Se abre una nueva pantalla con una ventana Experiment Setup, o ventana de preparación del experimento, allí se muestra una imagen de la interfase Science Workshop 750 en la que aparecen destacadas (dentro de un círculo amarillo) las bases en donde se pueden conectar los sensores. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 2

3 Las interfases Science Workshop aceptan dos tipos de sensores: analógicos y digitales. Para evitar equivocaciones a la hora de realizar las conexiones, cada tipo de sensor tiene un conector diferente. Los sensores analógicos disponen de conectores DIN 8 Los sensores digitales (como el sensor de posición) disponen de conectores tipo plug estéreo de 6 ½ mm. Si usted abre un archivo preconfigurado, conecte los sensores a la interfase de manera que estén de acuerdo con lo que se indica en el diagrama mímico. 5. Clic en la base 1 de la imagen de la interfase resaltada. Se abre una ventana para seleccionar el sensor a utilizar. 6. Seleccionar el Sensor de movimientos (Motion Sensor). (doble clic o seleccionar y OK) 7. La ventana anterior se modifica mostrando el ícono del sensor de movimiento. (En esta ventana ser pueden hacer ajustes del modo de funcionamiento del sensor) El Sensor de Movimiento o de Posición El sensor de movimiento envía pulsos de ultrasonido y recibe el eco del ultrasonido que rebota del objeto colocado al frente de él. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 3

4 En este experimento, el Sensor de Movimiento mide el movimiento de un carro que es empujado en un plano inclinado. El programa DataStudio registra el movimiento y calcula los valores instantáneos de posición, velocidad y aceleración del carro a medida que se mueve hacia arriba y hacia abajo sobre el plano inclinado. 8. El sensor de movimiento tiene dos conectores digitales, inserte en la interfase el plug amarillo en el canal 1 y el plug negro en el canal 2. Si estos canales estuvieran ocupados con otro sensor, conecte los dos plugs en canales contiguos y siempre el plug amarillo en el canal de la izquierda. 9. Al seleccionar el sensor de movimiento (pasos 6 y 7) aparece en el cuadro superior (Data) de la izquierda la indicación de los datos experimentales que el sensor está en condiciones de determinar. Se indica la variable (posición, velocidad o aceleración), los canales de la interfase en los que está conectado el sensor y las unidades de la variable medida. 10. A continuación se deben elegir las formas en que se desean visualizar los datos (tabla, gráfico, medidor analógico, medidor digital, etc.). Las alternativas se presentan en el cuadro inferior de la izquierda de la pantalla (Displays). 11. Para este trabajo práctico se empleará la representación gráfica, para esto se hace clic sobre el ícono del gráfico (Graph) en la ventana Displays y sin soltarlo se lo arrastra hasta colocarlo sobre la variable que se quiere graficar (por ejemplo posición - position). Al soltarlo aparece en una ventana un gráfico con la posición en el eje y, mientras que el tiempo (por defecto) se representa en el eje x. De la misma manera se pueden presentar los gráficos de velocidad-tiempo o aceleración-tiempo. En todos los casos para cada determinación el programa DataStudio determina o calcula todas las variables aunque solamente presenta las seleccionadas. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 4

5 CALIBRACIÓN DEL SENSOR DE MOVIMIENTO ATENCIÓN: Parte de estos procedimientos pueden haber sido completados antes de la realización del práctico, No los ejecute a menos que se lo indiquen. Como el sensor de movimiento funciona mediante ultrasonido, la distancia medida esta determinada por el tiempo de ida del pulso de ultrasonido al objeto y el tiempo de vuelta del rebote hacia el detector. Como la velocidad del sonido depende de las propiedades del aire (temperatura, presión atmosférica) se debe realizar una calibración al comenzar la tanda de experimentos. La velocidad del sonido de la calibración original es (344,00 m/s). Después de la calibración del Sensor de Movimiento, el valor de la velocidad del sonido será el valor actual de la velocidad del sonido calculado en este experimento 1. En la Ventana de Preparación del Experimento (Experiment setup), doble click en la solapa Motion Sensor, la ventana ahora muestra un cuadro Preset Sensor Distance donde figura la distancia actual que el sensor de movimiento ve en este momento (la distancia desde el sensor hasta el frente del carrito). Al lado aparece una ventana Standard Distance en la que figura (por defecto) 1,000 m. 2. El Sensor de Movimiento hará un sonido tenue aproximadamente cada segundo. Esto es parte de la calibración. Cuando el sensor ve la superficie que provoca el rebote, se enciende un led verde que parpadea con la misma frecuencia que el pulso de sonido. 3. Coloque a una distancia de un metro del Sensor de Movimiento, medido con una regla, una superficie plana (carpeta, libro) para que refleje los pulsos emitidos por el Sensor. Clic en el botón Set Sensor Distance = Standard distance 4. Del lado derecho de la ventana se muestra el cuadro Sample Rate en donde se puede ajustar la frecuencia del muestreo (cantidad de pulsos por segundo), por defecto es 10 Hz. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 5

6 MONTAJE EXPERIMENTAL ATENCIÓN: Parte de estos procedimientos pueden haber sido completados antes de la realización del práctico, No los ejecute a menos que se lo indiquen. 1. Coloque el plano inclinado. Use la barra ajustable en un extremo de la pista para levantar ese extremo del plano o elévelo colocando un taco debajo de las patas. 2. Coloque el Sensor de Movimiento en el extremo alto del plano. El carro empezará el movimiento en la parte baja del plano. Empuje el carro hacia el Sensor de Movimiento mediante el Impulsor. Práctica para el registro de información Antes de empezar a registrar datos, practique el movimiento y asegúrese que el sensor esté alineado con el carro. Siga los pasos 1 a 4 del procedimiento de REGISTRO DE DATOS (ver más adelante) ADVERTENCIA! No empuje el carro muy fuerte, debe llegar a 40 cm del sensor. REGISTRO DE DATOS 1. Prepárese para medir el movimiento del carro a medida que éste se mueve hacia el sensor y regresa a su posición inicial. Coloque el carro en la parte baja del plano. 2. Click el botón Start para empezar el registro de datos. En el gráfico se empieza a dibujar una línea que representa las lecturas del Sensor de Movimiento, como el carro no se mueve los puntos se encuentran sobre una línea paralela al eje x (Tiempo) (distancia al sensor constante) 3. Empuje el carro hacia el Sensor por medio del Impulsor. Continúe registrando datos hasta que el carro se detenga después de varios rebotes sobre el impulsor. 4. Click el botón Stop para terminar el registro de datos. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 6

7 5. Ahora aparece en el gráfico el registro del movimiento. Como en este montaje el carro de acerca al sensor la coordenada de posición toma valores menores que cuando está en reposo (El cero del sistema de referencia está en el Sensor de movimiento). En el cuadro de datos (Data) aparece Corrida #1 (Run #1) además del símbolo y color de los puntos de esta corrida. Note que aunque solamente se ha graficado la posición, también aparecen en el cuadro de datos (Data) la indicación de la velocidad y la aceleración para la corrida 1. (Si la gráfica no es continua controle el alineamiento del Sensor y repita el experimento). 6. Si el gráfico es satisfactorio ajuste la escala pulsando el boton (autoescala) en el extremo izquierdo de la barra de herramientas superior de la ventana del gráfico. Ahora la curva que representa al movimiento aparece desplegada. Puede hacer visible el cuadro de velocidad en función del tiempo haciendo clic sobre el ícono del gráfico (Graph) en la ventana Displays y sin soltarlo se lo arrastra hasta colocarlo sobre la variable que se quiere graficar (en este caso velocidad). Al soltarlo aparece en una ventana el gráfico con la velocidad en el eje y, mientras que el tiempo (por defecto) se representa en el eje x. El gráfico anterior permanece en segundo plano. Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 7

8 Si realiza una segunda determinación los nuevos valores aparecen destacados con otro color Si desea ver los valores de cada punto en forma de tabla, en la ventana Displays seleccione Table y arrastre con el Mouse hasta colocarlo sobre Position en la ventana superior Data La pantalla muestra la Tabla de la posición en función del tiempo. Si se seleccionan valores sobre la tabla (resaltados) tambiés se muestran resaltados los puntos correspondientes de la curva Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 8

9 Informe de Laboratorio Experiencia: Aceleración de un carro dinámico en plano inclinado Apellido y nombre Especialidad División Comisión TABLA DE DATOS Parámetro Determinación 1 Determinación 2 Determinación 3 Desplazamiento (medido) Desplazamiento (de la gráfica) Velocidad inicial Velocidad final Aceleración (pendiente) m/s 2 Aceleración (promedio calculado) m/s 2 PREGUNTAS 1. Describa la gráfica de posición en función del tiempo. Porqué la distancia disminuye a medida que el tiempo transcurre o a medida que el carro sube el plano inclinado? 2. Describa la gráfica de velocidad en función del tiempo. 3. Describa la gráfica de aceleración en función del tiempo. 1. Es igual la aceleración para ambos movimientos? (de subida y de bajada) Porqué sí o porqué no? Revisado Aprobado Rehacer Fecha Aceleración de un carro dinámico en un plano inclinado 9