GUIAS ÚNICAS DE LABORATORIO DE FÍSICA I LEYES DE NEWTON PARA EL MOVIMIENTO SEGUNDA LEY DE NEWTON

Transcripción

1 GUIAS ÚNICAS DE LABORATORIO DE FÍSICA I LEYES DE NEWTON PARA EL MOVIMIENTO SEGUNDA LEY DE NEWTON SANTIAGO DE CALI UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI DEPARTAMENTO DE LABORATORIOS

2 LA SEGUNDA LEY DE NEWTON 1. Introducción Un cuerpo se mantendrá en su estado de movimiento con velocidad constante a menos que una fuerza (entiéndase halar o empujar) se oponga a ello. Esto quiere decir que las fuerzas son capaces de cambiar el estado de movimiento de los cuerpos y que por lo tanto deben producir: aceleración. Cuál será la relación entre la fuerza y la aceleración? Habrá algún otro parámetro que tenga que ver con la aceleración que experimenta un cuerpo cuando una fuerza actúa sobre él? En esta actividad estaremos investigando estas dos preguntas con el propósito de definir operacionalmente lo que es fuerza. 2. Objetivos 1. Determinar experimentalmente cómo cambia la aceleración de un cuerpo cuando este es halado por fuerzas de diferentes magnitudes. 2. Construir una gráfica de la aceleración del objeto en función de la fuerza actuando en el objeto. 3. Construir una gráfica de la aceleración del objeto en función de la masa o inercia del objeto. 4. Determinar experimentalmente la relación matemática entre fuerza, masa y aceleración. 5. Definir operacionalmente el concepto: fuerza 3. Masa Fija La Segunda Ley de Newton nos dice que la fuerza neta aplicada a un objeto es directamente proporcional a la aceleración que sufre ese objeto. Esa aceleración apunta en la misma dirección que apunta la fuerza neta. Además, la constante de proporción es la masa del objeto. En esta parte exploraremos la valides de esta ultima oración. Aceleraremos un objeto de masa M con una fuerza conocida. Esta fuerza será la tensión que ocurre en un hilo cuando colgamos una masa m de uno de sus

3 extremos (ver figura 1). Esa masa estará dada por la masa de un gancho de masas (m g ) más las masas adicionales que le añadamos. Nuestro montaje experimental consta de dos cuerpos en movimiento. Si aplicamos la Segunda Ley a cada uno de estos, obtenemos dos ecuaciones Podemos solucionar simultáneamente estas dos ecuaciones para la tensión, dando Esta tensión es la fuerza que acelera el carrito Procedimiento Montaje del Equipo 1. Con el programa Data Studio corriendo, conecte el sensor de movimiento al USB Link y este a su ves a la computadora. Saldrá una ventana con una gráfica de posición en función del tiempo. 2. Ponga el sensor de movimiento en uno de los extremos de la pista. 3. Coloque el carrito de baja fricción en la pista y amarre un hilo a uno de sus extremos. 4. Mida la masa del gancho de masas (m g ) y anótelo. 5. Ponga una masa de 250 gramos en el carrito y mida la masa total del carrito. Anote el resultado. 6. Pase el hilo por la polea que está al final de la pista y cuelgue de ese extremo el gancho de masas.

4 Procedimiento experimental 1. Detenga el carrito de baja fricción a 10 cm del sensor de movimiento. 2. Para tomar data, seleccione Start en Data Studio y suelte el carrito. Deténgalo antes de que choque con la polea. Seleccione Stop para detener la toma de data. 3. Seleccione la parte de la curva que corresponde al movimiento uniformemente acelerado del carrito y hágale un ajuste de curva cuadrática. 4. De los parámetros obtenidos en el ajuste calcule la aceleración del carrito. 5. Añada 10 gramos al gancho de masas y repita el procedimiento. 6. Repita tres veces más, cada ves añadiendo 10 gramos Análisis 1. Para cada iteración de la actividad, calcule la tensión en el hilo. Esta tensión es la fuerza que acelera el carrito. 2. En el menú de Data Studio titulado Experiment escoja llamar una tabla para ingresar data. 3. En la columna de x ingrese los valores que obtuvo para la aceleración y en la columna de y los respectivos valores par la tensión. 4. Grafique estos valores. Qué tipo de gráfica esperaría usted? 5. Encuentre la pendiente de la gráfica haciendo un ajuste de curva. 6. Compare este valor con la masa total del carrito de baja fricción Datos y Resultados

5 4. Fuerza Constante Si en la Segunda Ley de Newton mantenemos la fuerza constante, podemos ver que a mayor masa menor es la aceleración que produce la fuerza sobre el objeto. En otras palabras, mientras más masivo es un objeto más difícil es cambiar su estado de movimiento. En este sentido la masa corresponde muy bien a la propiedad de inercia. Si dividimos por la masa, la Segunda Ley tiene la forma En esta parte aceleraremos el carrito de baja fricción con una fuerza constante, pero cambiaremos la masa del carrito Procedimiento Montaje del Equipo 1. Coloque el motor de ventilador en el carrito de baja fricción. 2. Ponga el carrito en la pista de tal forma que este se aleje de la polea cuando se prenda el motor. 3. Prenda el motor y vaya colocando masas en el gancho de masas hasta que el peso cancele la fuerza del motor. En ese momento el carro no se moverá. Utilice sujetapapeles (paper clip) como masas para obtener un valor más exacto. 4. Calcule el peso y anótelo. Esta es la fuerza F con que el motor empuja al carrito Procedimiento Experimental 1. Aguante el carrito de baja fricción a 10 cm del sensor de movimiento. 2. Para tomar data, encienda el motor de ventilador, seleccione Start en Data Studio y suelte el carrito. Deténgalo antes de que choque con la polea. Seleccione Stop para detener la toma de data.

6 3. Seleccione la parte de la curva que corresponde al movimiento uniformemente acelerado del carrito y hágale un ajuste de curva cuadrática. 4. De los parámetros obtenidos en el ajuste calcule la aceleración del carrito. 5. Añada 20 gramos al carrito de baja fricción y repita el procedimiento. 6. Repita dos veces más, cada ves añadiendo 20 gramos Análisis 1. Para cada iteración del experimento, calcule el inverso de la masa total del carrito. Por la masa total nos referimos a la masa del carrito más la masa añadida. 2. En el menú de Data Studio titulado Experiment escoja llamar una tabla para ingresar data. 3. En la columna de x ingrese los valores que obtuvo para el inverso de la masa total del carrito y en la columna de y los respectivos valores para la aceleración. 4. Grafique estos valores. 5. Encuentre la pendiente de la gráfica haciendo un ajuste de curva. 6. Compare este valor con la fuerza que acelera el carrito; o sea, la el peso que obtuvo en el inciso 4 de la parte Datos y Resultados