CONSERVACIÓ DE L ENERGIA AMB UNA PILOTA DE BÀSQUET (EXAO)

Transcripción

1 CONSERVACIÓ DE L ENERGIA AMB UNA PILOTA DE BÀSQUET (EXAO) 1. Introducció Una de les lleis fonamentals de la física estableix que, en absència de forces externes, els sistemes mecànics conserven l energia total, és a dir, la suma de l energia cinètica i la potencial. No obstant això, en la major part de casos quotidians no es donen les condicions ideals per tal que es complesca aquest principi i hi ha sovint pèrdues significatives d energia, tal com veurem en aquesta pràctica. Mitjançant una pilota de bàsquet, que rebota amb prou facilitat, es pot verificar que a cada rebot es perd energia i la pilota ja no arriba a l altura inicial, per això els jugadors de bàsquet han de rebotar-la amb les mans per tal que recupere l altura inicial. 2. Objectius Comprendre de forma experimental les limitacions pràctiques dels principis de conservació i avaluar les pèrdues d energia en un sistema no lliure. Més concretament: Aprendre a fer muntatges al laboratori de física. Realitzar càlculs sobre resultats experimentals. Elaborar un informe sobre l experiència realitzada. Emprar l ordinador i els equips EXAO per a determinar l acceleració d un mòbil. 3. Material necessari Sensors de moviment i programa Data Studio Pilota de bàsquet Vareta i nou per enganxar el sensor de moviment Vareta suport vertical amb gat per a la taula 4. Realització i taula de resultats Mesureu la massa de la pilota: m =... kg Agafeu la pilota amb les dues mans a uns 20 cm sota el sensor i solteu-la fins que rebote un parell o tres de vegades, a l hora que engegueu el sensor mitjançant el botó INICIO del programa Data Studio. Calculeu l acceleració de caiguda lliure a partir de les dades de la gràfica que dibuixa l ordinador. Per això cal seguir les instruccions de l ANNEX. Resultat: a = g =... m/s 2 Mesureu les velocitats d arribada i de reeixida de la pilota i les altures que ateny a cada rebot. IES Sant Vicent Ferrer - 1

2 Calculeu les energies potencial i cinètica en cada cas i les pèrdues d energia (en %) a cada rebot. Determineu l altura inicial (h 0 =... m) i ompliu la taula de resultats següent: Rebot v arribada E cinarribada v reeixida E creeixida h rebot E potrebot % perdut Inicial h 0 mgh ANNEX : Com operar amb el programa Data Studio per a obtenir dades del moviment i determinar l acceleració i la velocitat en la caiguda i rebots de la pilota de bàsquet Material específic de l equip EXAO : sensor de moviment i programa Data Studio Equip EXAO amb sensor de distància (la clau d abast del sensor ha d estar situada en la posició senyalada amb un carro) IES Sant Vicent Ferrer - 2

3 PROCEDIMENT EXPERIMENTAL 1) Col loqueu el sensor en el suport enganxat mitjançant una vareta, situat en la vertical del punt on s inicia el moviment de la pilota. Convé que la làmina sensora estiga una mica inclinada per tal que detecte millor la pilota. 2) Connecteu el sensor de distància al dispositiu d intercanvi a l USB. 3) Connecteu a un port USB d un ordinador on estiga instal lat el programa Datastudio de PASCO. 4) Apareixerà una pantalla que us permetrà posar en marxa el programa Datastudio, feu-ho. 5) Automàticament apareixerà la gràfica posició-temps: IES Sant Vicent Ferrer - 3

4 6) Entreu a CONFIGURACIÓ i escolliu també la gràfica velocitat - temps: 7) Tanqueu la finestra de CONFIGURACIÓN i arrossegueu des de la columna de DATOS les dades de velocitat a la gràfica i llavors apareixeran aquestes dues gràfiques així: IES Sant Vicent Ferrer - 4

5 8) Poseu en marxa el programa (premeu botó Inicio ) i solteu la pilota des d uns 20 cm per davall del sensor, fins que toque en terra i rebote tantes vegades com siga possible. El programa enregistrarà valors de posició temps i velocitat temps fins a obtenir unes gràfiques semblants a aquestes dues: 9) Seleccionem i suprimim tots els punts que, de forma raonada, no interessen. Amb la resta de punts fem l ajust per a determinar l acceleració de la gravetat. Per això escollim la primera paràbola i l ajustem. Amb el botó Ajustar seleccionem l ajust quadràtic. IES Sant Vicent Ferrer - 5

6 10) Obtindrem l ajust dels nostres valors experimentals a una equació del tipus y = A x 2 + B x +C on, en el nostre cas x és el temps i y la distància de la pilota al sensor. 11) Ací podem guardar en una carpeta totes les dades obtingudes fins ara. 6. Resultats L ajust anterior ens proporciona l equació del moviment de la pilota: x = 44,0 29,1 t + 4,82 t 2 que comparem amb l equació del moviment d un MRUA : x = x 0 + v 0 (t-t 0 ) + ½ a (t-t 0 ) 2 En l exemple, deduïm que l acceleració de la pilota haurà estat 9,64 m/s 2, que s acosta prou als 9,8 m/s 2 que esperaríem per a g. Els valors C i B formen part dels errors experimentals. 7. Mesures de h 0 i velocitats En la gràfica posició temps es pot llegir l altura des de la que cau la pilota (h 0 ), si restem les posicions inicial i final. Per als rebots també es pot fer el mateix. Per a determinar les velocitats, cal llegir directament el valor de la velocitat en la segona gràfica, on a cada paràbola correspon una recta. Abans de llegir les velocitats eliminem les que no semblen raonables sinó fruit d errors experimentals. Una vegada feta les correcció, el valor màxim i mínim que podem llegir ens dóna la velocitat, cadascuna amb un signe diferent (en arribar a terra (+) i en rebotar (-)). Tota aquesta informació l hem de recollir en la taula abans indicada i fer els càlculs corresponents a les energies cinètica, potencial i total en cada rebot. Al final cal determinar quin percentatge d energia s ha perdut a cada rebot. 8. Qüestions 1. Calculeu la imprecisió relativa (%) del valor obtingut per a l acceleració de la gravetat respecte al que teòricament s hauria d haver obtingut. 2. Raona per què es perd energia a cada rebot. És perd l energia o què passa? 3. Indica en quines formes es pot transformar l energia perduda. IES Sant Vicent Ferrer - 6