CONSERVACION DE LA ENERGIA MECANICA

Transcripción

1 CONSERVACION DE LA ENERGIA MECANICA EQUIPOS REQUERIDOS. Pista de Montaña Rusa (Roller Coaster) Carro Masas Fotocompuertas Metro Balanza OBJETIVOS. Al finalizar la práctica, el estudiante debe estar en la capacidad de: * Utilizar el Sistema de Fotocompuerta y el Programa DataStudio para registrar la velocidad del carrito en diversos puntos de la pista. * Determinar la Energía Cinética y la Energía Potencial gravitatoria del carrito en diversos puntos de la pista. * Demostrar el Principio de Conservación de la Energía Mecánica. TEORÍA. La conservación de la energía es un principio fundamental de importancia crucial en la física. En un sistema pueden distinguirse dos tipos de fuerzas: conservativas y no conservativas. Se dice que una fuerza es conservativa si el trabajo que efectúa depende únicamente de las posiciones inicial y final del objeto y no de la trayectoria seguida. La fuerza de gravedad es un ejemplo de fuerza conservativa. Por su parte, la fricción es un ejemplo de una fuerza no conservativa, pues su trabajo depende de la trayectoria seguida por el objeto. Las fuerzas conservativas se distinguen por la posibilidad de almacenar energía a partir de la configuración de las partes del sistema. La energía almacenada de esta manera es llamada energía potencial. En el caso de la fuerza de gravedad, la energía capaz de almacenar recibe el nombre de energía potencial gravitatoria. (Ep) Ep = mgh En cualquier sistema aislado de objetos que interactúan por fuerzas conservativas, la energía puede ser convertida de cinética a potencial y viceversa, pero la suma de estas permanece constante. La Energía Cinética viene dada por la expresión: Ec = ½ m V 2 Si solamente actúan fuerzas conservativas sobre un cuerpo en movimiento, la suma de la energía cinética (Ec) y la energía potencial (Ep) permanece constante. La suma de la energía cinética y la energía potencial de un cuerpo, en un punto dado, se denomina Energía Mecánica total del cuerpo en dicho punto (E M ). E M = Ec + Ep

2 Acerca de la Montaña Rusa La pista de la Montaña Rusa es un accesorio del Sistema PASCO para las prácticas digitalizadas del Laboratorio de Física. Con este accesorio es posible armar diversas configuraciones de pistas sobre las que pueden desplazarse los carritos. El uso de la Montaña Rusa permite demostrar interesantes principios físicos, entre ellos el Principio de Conservación de la Energía Mecánica. La Pista de Montaña Rusa está conformada por tres paneles o láminas de instalación que tienen varios orificios a través de los cuales pueden insertarse las varillas que a su vez sirven como elementos de sujeción del riel plástico sobre el cual se desplazarán los carritos. PARTE I: INSTALACIÓN DE LA PISTA. 1. Realice el montaje de la configuración tipo colina que aparece en la siguiente figura: Para este montaje debe unir los tres paneles de la montaña rusa, dejando en el medio del panel más angosto. 2. Coloque las portavarillas en los orificios de los paneles que señala la figura y asegúrelos en la parte trasera de los paneles con su respectiva arandela. 3. Inserte las varillas azules en los orificios que ya tienen sus portavarillas. 4. Estire el rollo de riel plástico y arme la pista iniciando en la parte terminal de la misma. 5. Inserte los clips en la parte inferior del riel y ajuste cada clip a su varilla correspondiente, de mod que el riel quede bien asegurado. 6. Coloque el dispositivo de freno en la parte terminal de la pista para que el carro no abandone el riel. 7. Mida la masa del carro en la balanza. 8. Escoja tres puntos del recorrido donde desee medir la velocidad del carrito. Por ejemplo los puntos B, C y D. En el punto A la velocidad inicial es cero, ya que el carrito se dejará caer desde esa posición. 9. En los puntos seleccionados como B, C y D; coloque fotocompuertas para medir las velocidades. Para ello deberá sustituir las varillas normales por las varillas especiales de fotocompuertas. Tome en cuenta que la fotocompuerta debe estar perpendicular al riel en el punto donde desee medirse la velocidad. Nota: Si usted colocó los paneles sobre el mesón, considere entonces al mesón como su nivel de referencia o de altura cero (h = 0m). 10. Mida la altura de los puntos A, B, C y D; con respecto al nivel de referencia y registre sus datos en la siguiente tabla. Punto del Recorrido A B C D Altura (m) 9

3 11. Coloque el carrito en el punto A, asegúrese que la ruedita de la parte inferior del carro se inserte en el orificio central del riel. Deje caer el carrito y verifique que realiza su ruta sin chocar con las fotocompuertas. En caso de choque, realizar los ajustes necesarios. PARTE II: CONFIGURACIÓN DEL COMPUTADOR. 1. Conecte la interface del Scienceworkshop al computador, encienda la interface y encienda el computador. 2. Conecte el plug de la fotocompuerta del punto B en el canal digital 1 de la interface. Conecte el plug de la fotocompuerta del punto C en el canal digital 2 y conecte el plug de la fotocompuerta del punto D en el canal digital 3. De tal forma que las Velocidades en los canales 1, 2 y 3 sean las velocidades en los puntos B, C y D respectivamente. 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 el canal digital 1de la línea de canales. Línea de Canales Digitales Opción Medidor Digital del Menú Pantalla 10

4 En la pantalla se despliega una ventana para escoger el Sensor Digital. Para esta práctica, seleccione la opción Fotopuerta y aceptar. Dele un click a Constantes y coloque en longitud del objeto: 0,1 metro (ya que el carrito tiene una longitud de 10 cm). De un click a Medidas y sólo deje activa la opción Velocidad en la puerta canal 1. Medidas Constantes Longitud del Objeto A continuación haga un click en Canal Digital 2 de la línea de canales, escoja la opción fotopuerta. Dele un click a Constantes y coloque en longitud del objeto: 0,1 metro. Realice un click en Medidas y sólo deje activa la opción Velocidad en la puerta canal 2. Repita el mismo procedimiento para el Canal Digital 3. Observe que el ScienceWorckshop tiene 4 canales digitales por lo que es posible medir la velocidad en otro punto del riel. PARTE III: TOMA DE DATOS. No es necesario calibrar las Fotocompuertas. 1. En la parte inferior del monitor, observe el menú Pantallas y haga click en Medidor Digital. Escoja la Opción Medidor Digital 1, el cual reportará la Velocidad en la Puerta Canal 1, que es la 11

5 Velocidad en el Punto B. Realice otro click en Medidor Digital y escoja Medidor Digital 2. Repita el procedimiento para el Medidor Digital 3. Los Medidores Digitales quedarán superpuestos en la pantalla. Arrastre con el ratón para que pueda observar los tres de forma simultánea. 2. Inicie la grabación de datos dándole un click al botón de Inicio que está en la parte superior de la pantalla. 3. Coloque el carrito en el punto A, asegúrese que la ruedita de la parte inferior del carro se inserte en el orificio central del riel. Deje caer el carrito. 4. Detenga el registro de datos justo después que el carrito concluya su ruta, haciendo un click en el botón Detener (que está en el mismo lugar donde antes decía Inicio). No permita que el carro se regrese por la ruta ya que si no ha detenido el registro de datos, los sensores pueden detectar otras velocidades. 5. Registre los datos en la tabla. 6. Repita la experiencia anterior pero añadiéndole una masa al carrito y luego añadiéndole dos masas al carrito. Es decir, usted va a realizar un total de tres corridas. En la primera de ellas, el carro no tiene masa adicional, en la segunda corrida el carro tiene una masa adicional y en la tercera, el carro tiene dos masas adicionales. Recuerde medir la masa total del carro para cada una de las corridas. Puntos del Recorrido A B C D Altura (m) CORRIDA 1. MASA: gr VELOCIDADES (m/s) CORRIDA 2. MASA: gr VELOCIDADES (m/s) CORRIDA 3. MASA: gr VELOCIDADES (m/s) POST-LABORATORIO Preguntas: En base a la Corrida nro. 1, responda las siguientes cinco preguntas: 1. Determine la Energía Potencial Gravitatoria del carrito en el punto A. 12

6 2. Determine la Energía Cinética y la Energía Potencial Gravitatoria en el punto C del recorrido. 3. A partir de los datos conocidos en el punto A y aplicando el Principio de Conservación de la Energía Mecánica, determine el valor de las velocidades en los puntos B, C y D del sistema. 4. Es significativa la variación entre los datos experimentales de las velocidades y los valores teóricos obtenidos en la respuesta anterior?. Utilice el error porcentual. 5. Qué Energía Cinética y qué Energía Potencial Gravitatoria tendrá el carrito cuando pase por un punto que esté a la mitad de la altura del punto A? 6. Varió la velocidad del carrito en los diferentes puntos de la pista, a medida que se aumentaba la masa?. Explique. 7. Tendrá modificación la Energía Cinética y la Energía Potencial Gravitatoria del carrito en los diferentes puntos de la pista, a medida que aumenta la masa?. Explique. 13