PRÁCTICA Nº3 Estudio Experimental de las Leyes de Newton. ΣF =ma Teoría. 3-2.Objetivos:

Transcripción

1 PRÁCTICA Nº3 Estudio Experimental de las Leyes de Newton Introducción Para esta práctica (divididas en cinco actividades), se procede al estudio de la II Ley Newton (Ley fundamental de la Dinámica), que comprende las tres (3) primeras actividades donde la fuerza viene dada por el portapesa y sus masas (ver figura 3.1), la cual es aplicada a un objeto ( el móvil), que puede ser de masa M/ (un carro), se requiere colocar un portapesa unido al carro mediante un hilo. Al colocar dicho portapesa se origina una tensión en el hilo que representa la fuerza la cual acelera el sistema. Una vez concluidas las tres primeras actividades, en la cuarta actividad se procede al determinar la constante de elasticidad (K) de un resorte luego la quinta actividad se determinará el Coeficiente de Restitución de un cuerpo (e) y finalmente se estudiará el equilibrio de una partícula. 3-.Objetivos: Determinar las características del movimiento del móvil manteniendo constante la masa del móvil y la fuerza que actúa sobre él, variando la distancia a recorrer por el móvil. Determinar las características del movimiento del móvil manteniendo constante la masa del móvil y la distancia a recorrer por él, variando la fuerza que actúa sobre el móvil. Determinar las características del movimiento del móvil manteniendo constante la distancia a recorrer por el deslizador y la fuerza que actúa sobre él, variando la masa del móvil. Determinar la relación entre la energía potencial elástica y la energía gravitatoria de un sistema físico. Establecer la relación entre la energía potencial y elástica y la energía potencial gravitatoria cuando varía la masa. 1 Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017 Determinar experimentalmente el valor de la constante K de elasticidad de una banda de caucho o liga. Determinar el coeficiente de restitución e después del choque entre dos cuerpos. Utilizar la tabla de fuerza y verificar la primera ley de Newton. Determinar experimentalmente el ángulo de equilibrio de tres fuerzas coplanares de igual magnitud. Determinar experimentalmente el ángulo de equilibrio de tres fuerzas coplanares de diferentes magnitudes Teoría En la práctica pasada (Nº) se describió como se caracteriza el movimiento en términos de la velocidad y la aceleración, ahora trataremos de contestar por qué los objetos se mueven en la forma en que los hacen. Qué provoca que un objeto inmóvil comience a moverse? qué hace que un objeto acelere o desacelere?, en cada caso se puede decir que la respuesta es una fuerza, La primera Ley de Newton afirma que si no actúa fuerza neta alguna sobre un cuerpo, éste permanece en reposo, si está en movimiento continua en moviéndose con rapidez constante en línea recta. La fuerza se puede definir como una acción capaz de modificar el estado de movimiento de un cuerpo, produciendo una aceleración y la velocidad de éste puede cambiar, es decir si la fuerza se encuentra orientada en la dirección del movimiento la rapidez aumenta o si está en dirección contraria a la del movimiento la rapidez disminuye. Cuando la fuerza neta es aplicada sobre un lado del objeto en movimiento, su dirección y la magnitud de su velocidad cambiarán, se puede decir que la fuerza neta da lugar a una aceleración. Por lo tanto la segunda Ley de Newton establece que: La aceleración que adquiere un cuerpo es directamente proporcional a la fuerza neta que actúa sobre él e inversamente proporcional a su masa. La dirección de la aceleración es la misma de la fuerza neta aplicada ΣF =ma

2 Energía Potencial Es la energía relacionada con la posición o configuración de un cuerpo o cuerpos y su entorno. Se pueden definir varios tipos de energía potencial (U) Energía potencial gravitatoria (U g) Se define como el producto de su peso (mg) y su altura (h) respecto a un nivel de referencia (que puede ser el suelo). U g = mgh Energía potencial elástica (U e) Es la energía potencial asociada a un resorte cuando se le comprime o se estira, porque cuando se suelta puede efectuar trabajo sobre cualquier objeto que lo mantenía comprimido o W X 0 Fdx cos estirado, este trabajo es realizado por la fuerza de restitución del resorte, la misma es directamente proporcional a la distancia que se comprima o se estira llamada x, es decir: F = - Kx, donde K es la constante del resorte, y es una medida de la rigidez de determinado resorte. Llamada fuerza de restitución, porque el resorte ejerce su fuerza en dirección opuesta al desplazamiento, de allí el signo menos, para tratar de llegar a su longitud normal. Esta ecuación es llamada Ley de Hooke, que es exacta para resortes siempre que x sea pequeña. W =-½KX Ue =-½KX Para determinar la energía potencial de un resorte comprimido, tan sólo se necesita calcular el trabajo (W) necesario para comprimirlo o estirarlo La Energía Mecánica y su conservación: Si solamente hay fuerzas conservativas (como es el caso para todas las actividades de la práctica Nº3) actuando sobre el sistema, se llega a una relación particularmente sencilla, que es: Wn = 0 donde, K + U=0, K= variación de la energía cinética. U= variación de la energía potencial (gravitatoria y elástica) La ley de conservación de la energía, es uno de los principios más importante de la física, y puede establecerse como: En cualquier proceso, la energía total ni aumenta ni disminuye. La energía puede transformarse de una forma a otra, y ser transferida de un cuerpo a otro, pero la cantidad total permanece constante Equilibrio de la partícula En la ausencia de una fuerza resultante sobre una partícula, toda partícula en reposo permanecerá en reposo y una partícula ya en movimiento, permanecerá en movimiento o a velocidad constante; es decir si la sumatoria de todas las fuerzas aplicadas sobre una partícula es cero esta no tendrá aceleración y estará en equilibrio trasnacional Fuerzas coplanares: Son fuerzas que están aplicadas sobre una partícula en un mismo plano de acción Choques o Colisiones: Los choques se presentan con mucha frecuencia en la vida diaria, una raqueta con una pelota de tenis, un bate y una pelota de béisbol, un martillo y un clavo, etc. En una colisión de dos objetos, ambos se deforman, con bastante frecuencia, a causa de las grandes fuerzas que intervienen. Cuando ocurre el choque, la fuerza va desde cero, en el momento de contacto, hasta un valor muy grande, en un tiempo muy corto ( t) ; a continuación regresa a cero en forma abrupta. El producto de la fuerza (F) por el tiempo muy corto ( t) se conoce como Impulso (P). P = F t Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017 Durante la mayor parte de los choques no se sabe cómo varía la fuerza de choque como función del tiempo. Sin embargo, se puede calcular mucho

3 acerca del movimiento después del choque, dado el movimiento inicial, mediante las leyes de conservación de la cantidad de movimiento y de la energía. Cuando se tiene dos objetos muy duros y elásticos y no se produce calor en el choque, se conserva la energía cinética, por lo tanto la energía cinética es la misma antes y después del choque, este tipo de choque se le llama choque elástico o colisiones elásticas. Claro está que existen choques donde no se conserva la energía cinética y se llaman Inelásticos, la energía cinética que se pierde se transforma en otra forma de energía, con frecuencia en energía térmica, de tal manera que la energía total, como siempre se conserva. Generalmente puede ocurrir que la energía cinética inicial es menor que la final o viceversa. A continuación aplicaremos las leyes de la conservación de cantidad de movimiento y de la energía cinética de choque elástico entre dos partículas que se encuentran de frente. a-. Conservación de la cantidad de movimiento: m 1 v 1 + m v = m 1 v 1 + m 1 v b-. Por conservación de la energía cinética: ½m 1 v 1 +½m v = ½m 1 v 1 + ½m v Materiales a utilizar: F:3. Pista lineal F:3.3 Smart Time Actividades Actividad Nº1: Determinar las características del movimiento del móvil manteniendo constante la masa de éste y la fuerza que actúa sobre él, variando la distancia a recorrer por el móvil. Nivelar la pista, por intermedio de los tornillos niveladores o el indicador de nivel Coloque en un extremo de la pista la polea por donde va a pasar el hilo que va a, halar el carro dinámico y amarre el hilo por un extremo al portapesa y por otro al carro. Dinámico. En el portapesa va a colocar una masa de 15g (recuerde que el portapesa su masa es de 5g)l. Ver figura 3.5 F:3.5 Paso Nº3: Mida el hilo tomando como referencia la distancia inicial, de tal manera que el móvil al recorrer los 70 cm, el portapesa no llegue al piso antes que el móvil haya pasado por la última FC. Coloque la defensa inicial donde la pista marca 40 cm y la defensa final a 10 cm de ella. Ver figura 3.6. F:3.6 Paso Nº4: Mida el hilo tomando como referencia la distancia inicial, de tal manera que el móvil al recorrer los 70 cm, el portapesa no llegue al piso antes que el móvil haya pasado por la última FC. Coloque la defensa inicial donde la pista marca 40 cm y la defensa final a 10 cm de ella. Ver figura 3.6 Paso Nº5: 3 Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017

4 Recuerde que la distancia debe TABLA Nº1 variar entre las Masa y Fuerza constante y distancia FC, el móvil debe variable soltarlo en la FC Tiempo T inicial antes de 1 T T 3 T p Móvil iniciar el conteo y varié la distancia 40 cm entre las FC, comenzando con 50 cm 0 cm, mida el tiempo que tarda el móvil en 60 cm recorrer la distancia 70 cm establecida y anote sus datos en 80 cm la siguiente a=d/t p tabla.nº1 Con relación a la primera actividad (cuadro Nº1): a-. Grafique d= f(tp). (Gráfica Nº). Qué información arroja el gráfico? b-. Grafique d= f(tp ). (Gráfica Nº) c-. De la gráfica Nº obtener la aceleración del deslizador inercial y su masa gravitatoria c-. Explique porqué el móvil debe partir siempre desde el mismo punto para cada recorrido. (Nº1). Ver figura 3.7 Mantener la distancia constante ( 70 cm) (entre fotocompuertas) y la masa del móvil ( 500 g) que equivale a un carro. Paso Nº3: Inicie la actividad con 15 gramos hasta (sin incluir el del portapesa), es decir emplee la misma fuerza la actividad pasada, y agregue de 5 en 5 gramos hasta llegar a 30 gr (sin incluir el portapesa). Ver figura 3.8 Paso Nº4: Mida el tiempo que tarda el móvil en recorrer la distancia establecida y anote sus datos en la tabla Nº. (Tomé el tiempo cuatro veces para cada distancia). F:3.8 TABLA Nº Masa y Distancia constante, Fuerza variable Tiempo T 1 T T 3 T p Maasa del portapesa 15 g 0 cm 5cm 30 cm Actividad II Determinar las características del movimiento del móvil manteniendo constante su masa (un carro) y la distancia a recorrer por él (70 cm), variando la fuerza que actúa sobre el móvil. Utilizar el montaje de la actividad pasada F:3.7 Tiempo promedio a=d/t p Con relación a la segunda actividad (cuadro Nº): a-. Grafique F= f(a). (Gráfica Nº3).. Qué información arroja el gráfico?. b-. Calcule la ecuación que rige el fenómeno. c-. Qué representa físicamente la pendiente del gráfico?. 4 Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017

5 Actividad III Determinar las características del movimiento del móvil manteniendo constante la distancia a recorrer por él y la fuerza que actúa sobre él, variando la masa del móvil. Utilizar el montaje de la actividad pasada (Nº).Ver figura 3.9, donde la distancia es de 70 cm y una fuerza que emplee una masa de 30g (sin incluir el portapesa). Mantener la distancia constante ( 70 cm) y la última fuerza empleada en la actividad pasada (35g), inicie con el t 1 deslizador de masa 500 g. t Mida el tiempo que tarda el t 3 móvil en recorrer la t p distancia establecida (80 cm) y anote sus datos en la tabla Nº3. F:3.9 Tabla Nº3 Fuerza y distancia constante y masa masa ( gr ) t (seg) a=d/t p M/ (Un carro) variable M 3M/ M Carros Con relación a la Tercera actividad (cuadro Nº3): a-. Grafique m= f(a). (Gráfica Nº4) b-.rectifique la curva. Gráfico Nº5. Actividad IV. Determinar el coeficiente de restitución (e) luego de chocar dos cuerpos. Coloque ahora las dos FC con una separación de 40 cm (entre ellas) y las defensas a 30 cm de cada una. Usar dos carros de colisión (collision cart). El Smart Time debe estar en la condición para medir velocidad con dos FC con dos FC. Esta es la secuencia: (1-1-- ). 30 cm 40 cm Ya en este Momento el equipo esta preparado para medir las velocidades antes y después del choque. Paso Nº3: 1.(carro Nº1 ) XX.X, =velocidad antes del choque y y.y= velocidad después del choque.(carro Nº ) XX.X, =velocidad antes del choque y y.y= velocidad después del choque Una vez que se haga cada experiencia en la pantalla del Smart Time va aparecer la siguiente información. Ver cuadro. Si el estudiante desea visualizar la información del otro móvil oprime el botón azul. 5 Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017

6 Paso Nº4: Anote sus datos de velocidades en la tabla Nº4. Recuerde que: debe hacer la experiencia tres veces y obtener la velocidad promedio Tabla Nº4 Carro Móvil Nº1 V 1i V1f Móvil Nº V i Vf. distancia y quedará en equilibrio (posición final), esta distancia que recorre es la que va anotar en la tabla Nº5, posteriormente repita la experiencia colocando una y luego dos pesas sobre el carro 5-.Con relación a la Quinta actividad (cuadro Nº5): a-. Calcule la constante K del resorte Actividad V. Determinar el valor de la constante K del resorte, cuando varía la masa del móvil. Paso Nº1 Elevar la pista cinco grados (5º), empleando un base adicional, por ese mismo lado colocar en la defensa un resorte que se ajusta en un tornillo que ella posee y el otro extremo (del resorte) al carro. Coloque el móvil, de manera tal que el resorte se mantenga en reposo, (ver figura 3.11), esa es la posición de equilibrio, lo suelta, y debido a su peso, va a recorrer una Velocidad promedio Coeficiente de restitución e= (V f-vi) /( V 1i V1f ) F:3.11 TABLA Nº5 MASA UN CARRO(500g) CARRO+PESA (1 CARRO+ PESAS (1.5KG DISTANCIA Actividad VI Equilibrio de la partícula. Materiales: Tabla de fuerza (figura 3.1), con todos sus accesorios (pesas, poleas e hilos). Esta actividad se hace en dos experiencias: Experiencia Nº1 Buscar el ángulo para el cual se logra el equilibrio de tres coplanares de igual magnitud. Paso Nº 1 Hacer el montaje de la figura 3.1. fuerzas Paso Nº Corte tres hilos de aproximadamente 35 cm. cada uno y amarre un extremo a cada portapesas y el otro al aro respectivamente. Paso Nº 3 Mantenga los hilos paralelos a la superficie de la tabla de fuerza. Paso Nº 4: Coloque una pesa, de 50g en cada portapesa y mueva las poleas de manera tal de lograr que el aro señale el equilibrio, anote los valores de los tres ángulos en la tabla Nº6 Ө 1 Ө Ө 3 F:3.1 TABLA Nº6 6 Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017

7 Experiencia Nº Buscar el ángulo para el cual se logra el equilibrio de tres diferente magnitud. fuerzas coplanares de Coloque una pesa de 30, 40 y 50g en cada portapesa y mueva las poleas de manera tal de lograr que el aro señale el TABLA Nº7 equilibrio, anote los Ө 1 valores de los tres ángulos en la tabla Nº7 Ө DOUGLAS C.GIANCOLI.Física Principio con Aplicaciones.Cuarta Edición.Prentice Hall S.A. México.001 FISHBANE, GASTOROWICS y THORNTON. Física para Ciencias e Ingeniería.Volumen II.Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.México. 00. RESNICK, HOLLIDAY y KRANE. Física.Volumen I.Quinta Edición. Cuarta en Español.Compañía Editorial Continental.México.001. RONALD L. REESE.Física Universitaria. Voumen I.Cuarta Edición. Thonson Learnig.Inc México.00. SERWAY, R.Física.Tomo I.Quinta Edición en Español.McGraw- Hilll.México.001. Ө 3 Al finalizar las dos experiencias: a-. Dibuje dos diagramas de fuerzas a escala con las tres fuerzas que obtuvo en cada experiencia. b.- Debería ser un polígono cerrado en cada caso?; Por qué? c-. Compare las experiencias anteriores, Qué concluye?. Cuestionario: 1 Defina: Dinámica, sistema de referencia inercial y no inercial, masa inercial y masa gravitatoria Explique por qué el móvil debe partir del reposo y del mismo punto.. -.Con relación a la cuarta actividad (cuadro Nº4):.1-. Defina choque, coeficiente de restitución. 3-.Con relación a la Quinta actividad (cuadro Nº5): Enuncie la Ley de Hook 3.-.Defina trabajo realizado por una fuerza que varía en una dimensión, Energía potencial elástica, campo conservativo y energía potencial gravitatoria. Bibliografía 7 Guías de la Práctica 3. Del Laboratorio de Física, correspondiente al bloque de Mecánica. Docente: Ing: Freddy Caballero. 017