Universidad Nacional Autónoma de Honduras Departamento de Fisica Laboratorio de FS100. PRE-Lectura de Laboratorio ( )

Transcripción

1 Conservación de la energía PRE-Lectura de Laboratorio Si consideramos una partícula que se mueve a lo largo de una línea, bajo la influencia de una fuerza que se da en función de su posición tenemos entonces una ecuación de movimiento: A esta fuerza que depende solo de la posición se le llama fuerza conservativa, por ejemplo la fuerza de atracción que ejerce la tierra sobre cualquier cuerpo. En mecánica clásica se tiene que la energía cinética es igual a: Donde es la velocidad y la masa. De la segunda ley de Newton (ecuación 1.1), y para un sistema de masa constante se puede concluir que el cambio en la energía cinética es: Lo que significa que el trabajo total que se requiere para movimiento corresponde al cambio en la energía cinética. Mediante el uso de propiedades de las fuerzas conservativas, tales que el trabajo realizado para desplazar una partícula entre dos puntos es independiente de la trayectoria seguida entre tales puntos se llega al resultado: Donde la expresión es la energía potencial debido a la fuerza de la gravedad. Conservación de la energía mecánica En un sistema mecánico las energías correspondientes a su movimiento y posiciones relativas, son las energías cinéticas y potenciales y en este sistema se conservara la energía mecánica si no actúan fuerzas no conservativas (por ejemplo la fuerza de fricción), entonces las suma de ambas energías ya sea en un punto inicial o final será una constante: Esta constante es la energía mecánica del movimiento, por tanto concluimos que en un sistema conservativo la energía permanece constante o se conserva, lo que nos da este resultado es el principio de conservación de la energía mecánica.

2 Donde el cambio total de la energía mecánica debe ser igual a cero: Aplicación en un plano inclinado Si un objeto se mueve cuesta abajo a lo largo de un plano inclinado con un ángulo de inclinación θ con la horizontal, el objeto pierde altura y así energía potencial. Por el teorema de la conservación de la energía tiene que ganar la misma cantidad de energía cinética. Entonces se puede comprobar el teorema de la conservación de la energía midiendo para ciertas posiciones en el movimiento la velocidad del objeto. La energía potencial se encuentra en relación a un punto arbitrario en al plano (ver figura 1). Con: la distancia medida a lo largo del plano. Θ el ángulo del plano con la horizontal. Mientras que la energía cinética siempre es: Entonces el valor de la energía total es: El valor de la energía total debe ser independiente de la distancia FIN de PRE-Lectura de Laboratorio

3 Actividades en el laboratorio Para esta actividad vamos hacer uso de un simulador en línea, Phet es un simulador iteractivo de física de la universidad de colorado para el cual requerimos que se instales en su ordenador: Descargar instalador para Windows (incluye Java) MB Una vez instalado busca Energía en el Skate Park: Básico. Mediciones Parte #1 Introducción: una vez que corras la simulación observaras un joven en una patineta y una pista curva con tres opciones en la parte superior izquierda de la ventana en forma vertical, has movimientos con las tres opciones y al mismo tiempo activa en la parte superior derecha de tu pantalla las opciones de: Gráficos de barra: este muestra una matriz de energías; potencial cinética y térmica. Esta energía térmica será el resultado del rozamiento por fricción que genera calor. Grid: esta opción activa una cuadricula en escala de metros cuadrados para darte una mejor aproximación del movimiento. Speed: este es un marcador de velocidad en m/s y cada línea marca 0.5 m/s. Skater mass: aquí puedes regular la masa del joven. Haz varias pruebas para adaptarte a las herramientas de esta aplicación, explora todas las opciones.

4 Parte #2 Universidad Nacional Autónoma de Honduras Fricción: en esta segunda parte se introduce la fricción, puedes activar al movimiento anterior la opción de fricción la cual se puede modelar en un rango de 0 a 1 en la barra indicada en la figura. Observaras que la barra naranja correspondiente a la energía térmica se desplazara indicando que en el movimiento se pierde energia mecanica y se transforma en energia térmica (calor). Stick to Track: activa esta opción si quieres que la patineta se adhiera al suelo. Parte #3 Track Playground: en esta parte puedes modificar la pista y crear diferentes escenarios para simular tu movimiento a tu gusto: Sección de actividades con el simulador Phet Genera una pista con la punta del cursor arrastrando los círculos violetas hasta formar una figura como la que se muestra a continuación:

5 Lo importante en esta parte es que los puntos de mayor altura queden alineados horizontalmente. Realiza el movimiento sin fricción con la opción de cámara lente y saca tus propias conclusiones: Se cumple el principio de conservación de la energía mecánica? si agregaras más curvas circulares cerradas crees que se cumpliría el principio de conservación de la energía mecánica? Repite este procedimiento agregándole fricción, en qué porcentaje de fricción crees que se cumpliría el principio de conservación de la energía mecánica? En qué porcentaje de la fricción crees que el joven se caería de la curva cerrada? Para esta opción tienes que desactivar el stick to track. En ese momento que sucede con la energía disipada por la fricción? Escribe de izquierda a derecha las energías en forma decreciente. Esta es una forma más dinámica de hacer física y es un excelente complemento para tu practica de laboratorio, te aconsejo que revises más simulaciones y hagas tus propios experimentos en casa para comprender más el fascinante mundo de la física.