Área de Ciencias Naturales LABORATORIO DE FÍSICA. Física I. Actividad experimental No. 6. Trabajo, Potencia mecánica y Conservación de la Energía.

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Alberto Gil Montes
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1 Área de Ciencias Naturales LABORATORIO DE FÍSICA Física I ALUMNO(A): GRUPO: EQUIPO: PROFESOR(A): FECHA: CALIFICACIÓN: Actividad experimental No. 6 Trabajo, Potencia mecánica y Conservación de la Energía. EXPERIMENTO No 1. Trabajo y potencia mecánica. 1. OBJETIVO: Determinar los valores del trabajo y la potencia mecánica, mediante experimentos realizados al desplazar un cuerpo, para identificar su importancia en algunas aplicaciones prácticas. 2. MATERIALES: 1 dinamómetro Regla graduada de 1 metro de longitud Libro, cuaderno o cualquier otro objeto Reloj con segundero o cronómetro 3. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA: Manual de prácticas de física. Carlos Gutiérrez Aranzeta Mc. Graw Hill. Física 1. Carlos Gutiérrez Aranzeta. Mc. Graw Hill. Física 1. Vázquez. Pearson Educación. Física 1 Bachillerato General. Héctor Pérez Montiel. Publicaciones Cultural. Fundamentos de Física 1 Programa DGB. Serway y Faughn. Thomson. 4. ASPECTOS TEÓRICOS. El trabajo mecánico es una magnitud escalar y se produce sólo cuando una fuerza mueve un cuerpo en la misma dirección de su movimiento. Su valor se calcula multiplicando la magnitud de la componente de la fuerza localizada en la dirección en la que se efectúa el movimiento del cuerpo, por el desplazamiento que éste realiza. 1

2 Simbólicamente el trabajo mecánico se representa de la siguiente manera: T = F cos θ d donde : T = Trabajo realizado en Nm = Joule ( J ) d = Desplazamiento en metros ( m ) F cosθ = Componente de la fuerza que mueve al cuerpo en Newton ( N ) El máximo trabajo que una fuerza puede producir se obtiene cuando la dirección en que se aplica la fuerza es igual a la del desplazamiento, en donde el ángulo θ = 0º, entonces la ecuación anterior se simplifica como: T = F d La potencia mecánica se define como la rapidez con la que se efectúa un trabajo, matemáticamente se expresa de la siguiente manera: P= donde : P = Potencia mecánica en Joule/segundo = Watts (W) T = Trabajo realizado en Joules (J ) t = Tiempo en segundos ( s ) La unidad empleada para medir la potencia mecánica en el Sistema Internacional de Unidades (SI) son Watt, sin embargo, de manera práctica se emplean otras unidades como: El caballo de fuerza (1 HP = 746 Watt ) El caballo de vapor (1 CV = 736 Watt ) Matemáticamente podemos determinar una expresión que nos permitan determinar la potencia mecánica si conocemos la velocidad que adquiere un cuerpo al realizar un trabajo mecánico, recordemos que: 2

3 Pero como sabemos: Por lo tanto: V = P = = = F( ) = F V Por lo que se tiene que la potencia en función de la velocidad se expresa como: P = F V 5. CUESTIONARIO: 1. Cómo se produce el trabajo mecánico? 2. Cómo se determina matemáticamente la componente de la fuerza que mueve a un cuerpo? 3. Cuál es la expresión matemática que permite calcular el trabajo mecánico? 4. Cuál es el valor del ángulo que se debe de formar entre la fuerza aplicada a un cuerpo y su desplazamiento para que el trabajo realizado sea máximo? 5. Cómo se define la potencia mecánica? 6. Cuál es la expresión matemática que permite calcular la potencia mecánica si se conoce la velocidad que adquiere un cuerpo al realizar un trabajo? 3

4 6. PROCEDIMIENTO: a) Ata con un hilo un libro, un cuaderno o cualquier otro objeto, determina su peso con ayuda del dinamómetro y registra su valor. b) Coloca el libro, cuaderno o el objeto que elegiste en el piso y levántalo hasta una altura de 1 metro. A continuación calcula el trabajo mecánico realizado. c) Repite el paso anterior, pero ahora levanta el libro a una altura de 1.5 m y calcula el trabajo realizado. d) Ahora, con el libro levantado a 1.5 m camina una distancia horizontal de 2m, cuánto vale el trabajo realizado? e) Levanta nuevamente el libro del piso y elévalo a 1.5 m, primero en 2 segundos y posteriormente en 4 segundos. Calcula la potencia mecánica en ambos casos. 7. RESULTADOS: Actividad Levantar libro u objeto Fuerza en Newton Trabajo y Potencia Trabajo técnico Altura Altura 1.5m 1m 1.5m distancia 2m Potencia mecánicos Tiempo 2 segundos 4 segundos 8. CONCLUSIONES: Con base en tus observaciones y las respuestas del siguiente cuestionario elabora tus conclusiones. Por qué no se realiza trabajo mecánico al cargar un cuerpo a una altura de 2m y manteniéndolo a la misma distancia y después al caminar sobre el piso una distancia horizontal de 5 m? Al levantar un objeto a la misma altura, pero en diferentes intervalos de tiempo, consideras que la cantidad de trabajo realizado: aumenta, disminuye o permanece igual? 4

5 EXPERIMENTO 2. Conservación de la energía. 1. OBJETIVOS. Comprobar el cumplimiento de la ley de conservación de la energía, a través de la experimentación, para comprender que en función de su estado, posición y realización del trabajo mecánico de los cuerpos la energía se transforma conservándose. 2. MATERIALES: 1 riel metálico circular 1 balín de acero 1 dinamómetro 1 regla graduada de 1 m 3. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA: Manual de prácticas de física. Carlos Gutiérrez Aranzeta Mc. Graw Hill. Física 1. Carlos Gutiérrez Aranzeta. Mc. Graw Hill. Física 1. Vázquez. Pearson Educación. Física 1 Bachillerato General. Héctor Pérez Montiel. Publicaciones Cultural. Fundamentos de Física 1 Programa DGB. Serway y Faughn. Thomson. 1. ASPECTOS TEÓRICOS. La energía se define como la capacidad de los cuerpos para producir un trabajo. La unidad empleada para medir la energía en el sistema internacional de unidades es el Joule (J). Otra unidad muy empleada es la caloría (cal), que para propósitos prácticos, equivale a 4.2 Joule. Por otra parte, para su estudio la energía se divide en dos: energía cinética y energía potencial. Todos los objetos en movimiento tienen energía cinética, de donde a mayor movimiento mayor energía, simbólicamente se representa de la siguiente manera: E c = por lo que las unidades son E c = = joule = J La energía potencial la poseen todos aquellos cuerpos cuando en función de su posición o estado son capaces de realizar trabajo. Matemáticamente se expresa de la siguiente manera: E p = mgh de aquí que sus unidades son E p = kg ( ) m = = joule = J 5

6 Ley de la conservación de la energía. Un cuerpo suspendido a cierta altura, al ser soltado transforma su energía potencial en energía cinética. Cuando la energía se convierte en calor y ya no puede transformarse en otra clase de energía decimos que se disipa en forma de luz o sonido al entorno. Con base en estas consideraciones, se puede establecer la siguiente ley de la conservación de la energía: La energía existente en el universo es una cantidad constante que no se crea ni se destruye, únicamente se transforma. 2. CUESTIONARIO: Investiga, en la bibliografía indicada en este manual, las respuestas a las preguntas que a continuación se te plantean y regístralas, de manera breve y clara, en los espacios correspondientes. 1. Define el concepto de energía. 2. Escribe los nombres de las unidades en las que se puede medir la energía y sus símbolos correspondientes. 3. Cuándo se dice que un cuerpo posee energía potencial y menciona dos ejemplos? 4. Cuándo se dice que un cuerpo posee energía cinética y menciona dos ejemplos? 5. Que nos dice el enunciado de la ley de la conservación de la energía y Qué nombre recibe la suma de las energías potencial y cinética de un cuerpo? 6. Menciona un ejemplo de un objeto que produzca calor y sea evidente su disipación. 6

7 3. PROCEDIMIENTO. SUBSECRETARÍA DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR a) Montar un dispositivo como el que se muestra en la siguiente figura, para ello, el riel metálico debe estar libre de toda obstrucción y de asperezas para evitar fricción entre el riel y el balín de acero. b) Pesar el balín atado a un trozo de hilo cáñamo usando un dinamómetro y registrar su valor. c) Medir la altura a la cual se va a colocar el balín en el riel semicircular para después soltarlo. Anotar la altura respectiva en la tabla de resultados. d) Calcular el valor del trabajo mecánico que se realiza para levantar el balín desde la mesa de trabajo hasta la altura h en donde se colocará en el riel. Registrar en la tabla de resultados. e) Calcular la energía potencial del balín al estar colocado sobre el riel, antes de soltarlo. Registrar su valor en la tabla de resultados. Reflexiona cómo es el valor de la energía potencial que acabas de calcular con relación al trabajo realizado para subirlo a la altura h en el inciso anterior? f) Ahora soltar el balín y observar su desplazamiento, A qué altura asciende el balín por el riel semicircular?, Alcanzó la altura original desde la cual descendió? 7

8 7. RESULTADOS: a) Peso del balín de acero en ( N ) b) Altura del balín en el riel en ( m ) c) Altura del balín en el riel en ( m ) d) Energía Potencial en ( J ) e) Altura al ascender por el riel (m) f) Altura original desde la que descendió en ( m ) 8. CONCLUSIONES: 1. Al pasar el balín por la parte inferior del riel qué valor tiene la energía potencial y cuanto la energía cinética? 2. Al ascender nuevamente el balín por el riel y alcanzar una altura máxima Cuál es el valor de su energía potencial y en ese mismo instante cuánto vale su energía cinética? 3. Cuándo el balín se desplaza a uno y otro lado del riel, cómo varía la altura alcanzada y cuál es la causa de esa variación? Sí el balín se va deteniendo poco a poco, qué explicación se le puede dar a la pérdida de energía? 4.Se comprueba la ley de conservación de la energía. 8

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