UNIVERSIDAD DE PAMPLONA FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO DE MECÁNICA PÉNDULO BALÍSTICO

Transcripción

1 3 PÉNDULO BALÍSTICO OBJETIVOS Investigar el péndulo alístico. Revisar la teoría física y los principios fundamentales que estan detrás del experimento planeado. Determinar la velocidad de disparo de un proyectil utilizando los métodos aproximado y el método exacto. INTRODUCCIÓN El Péndulo Balístico se emplea en criminalística para determinar la velocidad de disparo de los proyectiles de las armas de fuego. EQUIPO El Péndulo de Balística E incluye lo siguiente: Base metálica del Péndulo Balístico. olas de acero. Lanzador de proyectiles de corto rango. Taco (unido con Velcro para mantenerse). Accesorios de choque. 3 olas plásticas. masas de latón para péndulo. gafas de seguridad. Arazadera en forma de C. ARCO TEÓRICO SOBRE EL PÉNDULO BALÍSTICO El Péndulo Balístico es un método clásico para determinar la velocidad de un proyectil. Este sirve tamién para demostrar algunos principios fundamentales de la física. La ola es lanzada dentro del péndulo, el cual luego oscila entre un angulo medile. De la altura alcanzada por el péndulo podemos calcular su energía potencial. Esta energía potencial es igual a la energía cinética del péndulo al final de la oscilación, justo después del choque con la ola. No podemos igualar la energía cinética del péndulo después del choque con la energía cinética de la ola antes del choque, ya que el choque entre la ola y el péndulo es inelástico y la energía cinética no se conserva en un choque inelástico. El momento se conserva en todas las formas de choque, sin emargo; sí saemos que el momento de la ola antes del choque es igual al momento del péndulo después del choque. Una vez nosotros conozcamos el momento de la ola y su masa, podemos determinar la velocidad inicial. Hay dos maneras de calcular la velocidad del proyectil. El primer método (método aproximado), asume que el péndulo y la ola actúan juntos como una masa puntual localizada en su centro de masas cominado. Este método no toma en consideración la inercia rotacional.

2 33 El segundo método (método exacto), utiliza la inercia rotacional del péndulo en los cálculos. Las ecuaciones son un poco más complicadas, y es necesario tomar más datos para encontrar el momento de inercia del péndulo; los resultados otenidos son generalmente mejores. Note que el suscrito C.. usado en la siguiente ecuación es para centro de masa. ÉTODO APROXIADO PARA CALCULAR LA VELOCIDAD DE DISPARO DEL PROYECTIL Comienza con la energía potencial del péndulo al tope de su oscilación: U = g h C. (1) Donde es la masa cominada del péndulo y la ola, g es la aceleración de la gravedad y h es el camio de altura. Sustituimos por la altura: h. = R ( 1 cosθ ) C () R C. ( 1 cosθ ) U = g (3) Aquí: R C - es la distancia del pivote al centro de masas del sistema proyectil péndulo y θ - es el ángulo de deflexión del péndulo. La energía potencial U es igual a la energía cinética K del péndulo inmediatamente después del choque: 1 K = v p (4) El momentum P p del péndulo justamente después del choque es: P p = v p (5) Al cual lo podemos sustituir en la ecuación previa quedando: K Pp = (6) Resolviendo esta ecuación para el momento del péndulo da: P p = ( K) (7) Este momento es igual al momento de la ola antes del choque: P = m (8) v Igualando estas dos ecuaciones y reemplazando KE por la energía potencial conocida nos da: = g R C. ( 1 cosθ ) m v (9)

3 34 Resolvemos esto para la velocidad de la ola y simplificamos para otener: v = g R C. ( 1 cosθ ) (10) m Figura 1. ÉTODO EXACTO PARA CALCULAR LA VELOCIDAD DE DISPARO DEL PROYECTIL La energía potencial se halla de manera idéntica a la mostrada previamente: R C. ( 1 cosθ ) U = g (11) Para la energía cinética, usamos la ecuación para la energía cinética angular en lugar de lineal y sustituimos en la ecuación para momento angular. 1 ω K = I (1) L p = I ω (13) K Lp = (14) I Aquí I es el momento de inercia del sistema péndulo ola y ω es la velocidad angular inmediatamente después del choque. Como se hizo previamente, se resuelve esta última ecuación para el momento angular:

4 35 L p = I( K ) (15) Este momento angular es igual al momento angular de la ola antes del choque, medida desde el punto del pivote del péndulo. L = m R ω m R v (16) = R es la distancia del pivote del péndulo al proyectil. (Este radio no es en general igual a R cm, el cual es la distancia del punto de pivote al centro de masa del sistema Péndulo/asa). Figura Estos dos momentos angulares son iguales para cada uno así: m R v I g. ( 1 cosθ ) (17) = R C Resolvemos para v: 1 v = I g RC. ( 1 cosθ ) (18) m R Ahora necesitamos encontrar I, el momento de inercia del péndulo y la ola. Para hacer esto comenzaremos con el equivalente rotacional de la segunda ley de Newton: τ = I α (19) Donde τ es el torque, I es el momento de inercia y α es la aceleración angular. La fuerza en el centro de masa del péndulo es justamente g y la componente de esta fuerza dirigida hacia el centro del péndulo oscilador es: F = g sen θ (0) El torque en el péndulo es: I α = R g sen θ (1) C. Para ángulos pequeños θ, sen θ θ, si hacemos esta sustitución y resolvemos para α, conseguiremos:

5 36 α g RC. θ () I Esta ecuación tiene la misma forma que la ecuación para movimiento armónico simple lineal: k α x = ω x (3) m Si comparamos estas dos ecuaciones, lineal y angular, vemos que el péndulo exhie un movimiento armónico simple y que el cuadrado de la frecuencia angular (ω ) para este movimiento es justo: g R C. ω = (4) I Resolviendo esto para I nos da el resultado deseado: I g RC. g RC. T = = (5) ω 4 π Donde T es el periodo del péndulo. Nota: Nosotros hemos hecho una aproximación del ángulo pequeño para encontrar I, pero I no depende de θ. Esto significa que deemos medir el periodo T usando pequeñas oscilaciones; pero una vez que hayamos calculado I con este periodo, podemos usar este valor de I a pesar de la amplitud alcanzada durante otras partes del experimento. DETERINACIÓN DE LA VELOCIDAD DEL PROYECTIL POR EL ÉTODO APROXIADO ATERIALES ADICIONALES La ola de acero El lanzador de proyectiles Una arasadera en C Una cuerda La velocidad del cañón del lanzador de proyectiles se determina lanzando la ola en el péndulo y oservando el ángulo al cual se alancea el péndulo. La ecuación para la velocidad de la ola es aproximadamente. v = g R C. ( 1 cosθ ) (6) m Donde es la masa cominada del péndulo y pelota, m es la masa de la ola, g es la aceleración de gravedad, R cm es la distancia del pivote al centro de la masa del péndulo, y Ө es el ángulo alcanzado por el péndulo. ONTAJE I 1. Coloque el Lanzador de Proyectiles al montaje del Péndulo alístico al nivel del capturador de la ola. Asegúrese de que el péndulo cuelgue verticalmente con respecto al lanzador.

6 37. Sujete la ase del péndulo a la mesa, con una arasadera en C. Asegúrese que la arasadera no interfiera con el alance del péndulo. PROCEDIIENTO I 1. Uique el péndulo a 90, luego cargue el Lanzador de proyectiles. Permita al péndulo colgar liremente, y mueva el indicador del ángulo para ponerlo en cero grados.. Dispare el lanzador y anote el ángulo alcanzado. Agregue o quíte masa al péndulo. Repita esta pruea hasta que usted esté satisfecho con la masa del péndulo. 3. Una vez usted ha escogido la masa para usar para su experimento, quite el péndulo de la ase destornillando y quitando el eje del pivote. Usando el centro de masa, encuentre la masa del péndulo y ola juntos. Anote este valor como en la tala Halle la masa de la ola, anote esto como m. 5. Haga un lazo con la cuerda, y cuelgue el péndulo del lazo (Ver figura 3). Coloque la ola y el capturador de la ola en posición, ajuste la posición del péndulo hasta que equilire. ida la distancia del punto al pivote, este es el centro de masa, y anótelo como R cm. Usted puede encontrar el centro de masas equilirando el péndulo en el orde de una regla u ojeto similar. 6. Reensamle el péndulo, y asegúrese que quede ien hecho. Esté seguro que el indicador del ángulo, esté a la derecha del péndulo. 7. Cargue el lanzador, luego ponga el indicador del ángulo para orientar 1 º menos del alcanzado en el paso. Esto eliminará la fricción causada por el indicador en el arrastre del péndulo, así el péndulo moverá sólo el indicador para los últimos grados. Luego dispare el lanzador, y anote el ángulo alcanzado por el péndulo en la tala 1. Repita este procedimiento varias veces. CÁLCULOS I Figura Oserve la medida del ángulo alcanzado por el péndulo. Anote este valor en la tala 1.. Calcule la velocidad del proyectil y la del cañón del Lanzador del Proyectiles. PREGUNTAS I 1. Hay otra manera de medir la velocidad del cañón, para que usted pueda verificar sus resultados? Usted puede usar otro método y comparar la dos respuesta.. Qué fuentes de error están presentes en este experimento? Qué tánto afectan a sus resultados estos errores? 3. Se simplificarían los cálculos (ver la sección de teoría) si se conservara la energía cinética en la colisión entre la pelota y péndulo? Qué porcentaje de la energía cinética se ha perdido en la colisión entre la pelota y el péndulo? Sería válido asumir que esa energía se conservó en dicha colisión?

7 38 4. Cómo hallaría el ángulo alcanzado camiando el péndulo; si la ola no fuera capturada por el péndulo? Usted puede proar esto dándole la vuelta al péndulo para que la ola golpee la parte de atrás del capturador de la ola. Hay más energía o menos energía transferida al péndulo? Tala 1. agnitud Valores Angulo.aprox.exact (g) θ 1 (g) θ R C. (cm) θ 3 R (cm) θ Prom T (s) V Aprox ( ) I ( ) V Exacto ( ) Error relativo ATERIALES: La ola de acero El lanzador de proyectiles Una arasadera en C Una cuerda (centro de masas) Un cronómetro VELOCIDAD DEL PROYECTIL - ÉTODO EXACTO La ecuación para determinar la velocidad exacta de la ola es: v 1 = I g RC. ( 1 cosθ ) m R Donde: I es el momento de inercia del péndulo con la ola en el capturador. El valor de I puede encontrarse midiendo el periodo de oscilaciones pequeñas del péndulo y ola, usando la ecuación: Donde: T es el periodo. I = g R 4 π C. T PROCEDIIENTO II 1. Siga los pasos del PROCEDIIENTO I descrito arria.. ida la distancia entre el punto del pivote y el centro de la ola. Anote esto como R. 3. Quite el lanzador de proyectiles para que el péndulo pueda girar liremente. Con la ola en el péndulo, déle un desplazamiento inicial de 5º o menos. Use el cronómetro, tome el tiempo por lo menos de diez oscilaciones, y anote el resultado como T en tala 1.

8 39 CÁLCULOS II 1. Oserve la medida del ángulo alcanzada por el péndulo. Anote este valor en la tala 1.. Calcule el valor de I, y anótelo en la tala Calcule la velocidad del Proyectil PREGUNTAS II 1. Responda a las PREGUNTAS I.. Aumentando la masa del péndulo, disminuye la eficacia de la energía transferida en la colisión? Pruéelo. 3. Hay una diferencia significativa entre los valores calculados de los dos métodos? Qué factores aumentarían la diferencia entre estos dos resultados? Cómo usted construiría un péndulo alístico para que la ecuación aproximada diera uenos los resultados? CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA