PRÁCTICA REMOTA PÉNDULO FÍSICO AMORTIGUADO

Transcripción

1 PRÁCTICA REMTA PÉNDUL FÍSIC AMRTIGUAD 1. BJETIV Estudio del comportamiento de un péndulo físico débilmente amortiguado. Determinación de la constante de amortiguamiento, γ, del periodo, T, de la frecuencia angular del movimiento, ω, y de la velocidad angular instantánea, θ..- FUNDAMENT TEÓRIC Se denomina péndulo físico a cualquier sólido rígido capaz de oscilar en torno a un eje horizontal. En la figura 1 se muestra un péndulo físico que puede girar verticalmente en torno a un eje horizontal que pasa por el punto. En la posición de equilibrio el Centro de Masas (C. M) está situado en la vertical que pasa por ; cuando se gira un ángulo θ con respecto al equilibrio como aparece en la figura, el peso (mg) y un momento de amortiguamiento (γvd), junto con la reacción (R) en el punto de apoyo (barra horizontal) forman pares de fuerzas que provocarán un giro en torno al eje que generará un movimiento oscilatorio. Figura 1.- Péndulo Físico La ecuación del movimiento del péndulo se puede deducir a partir de la expresión: ΣM =I α mg L senθ+γv D=-I α (1) donde, d θ D dθ d θ dθ mgl α = y v = + + senθ = 0 () dt dt dt I dt I Página 1 de 5

2 siendo I el Momento de Inercia respecto al eje de rotación, D el diámetro del eje y γ la constante de amortiguamiento. La ecuación () no tiene una solución sencilla a menos que se haga la aproximación: senθ θ, tanto más correcta cuanto más pequeñas sean las oscilaciones. En tal situación, la ecuación del movimiento quedará expresada como: d θ dθ + β + ω0θ = 0 (3) dt dt Siendo ω o la frecuencia natural de oscilación y β el parámetro de amortiguamiento. mgl ω 0 = y I β = 4I La solución a la ecuación diferencial va a tener una componente que nos define el amortiguamiento, ( θ 0e ), y una componente que nos indica que el movimiento es periódico (sen ωt): θ = θ 0 e sen ( ωt) (4) β siendo θ 0 la amplitud inicial y ω" la frecuencia del movimiento, ω = ω0 1 ω 0 Como se puede observar en la figura, el movimiento es oscilatorio amortiguado, con la amplitud disminuyendo a medida que avanza el tiempo. 0,6 0,4 Angular Position (rad) 0, 0,0-0, -0,4-0, Time (s) Figura.- scilaciones amortiguadas Página de 5

3 3.- EXPERIMENTACIÓN La práctica a realizar consiste en el estudio de las oscilaciones de una barra rectangular, que jugará el papel de péndulo físico. Para ello se separará la regla un ángulo θ 0 de su posición de equilibrio dejándola a continuación en libertad. El sistema dispone de un sensor de rotación con el que se medirá el ángulo en función del tiempo, θ(t). Entre en la página Web del departamento elija la opción Laboratorio Remoto y seleccione la aplicación Péndulo Físico Amortiguado. Introduzca el nombre de usuario y la contraseña que les han facilitado. Lea con detenimiento la página de bienvenida y seleccione en el menú de la izquierda de la página la opción Péndulo Real. Entrará así en una nueva ventana en la que podrá realizar la experiencia. Pulse en la flecha,, situada en la esquina izquierda del registro, introduzca el valor del ángulo desde donde el péndulo va a oscilar (utilicen sólo ángulos menores de 50 o ) y pulse Iniciar. En este momento el sistema comenzará la adquisición de datos a la vez que el péndulo se va desplazando hasta alcanzar el valor del ángulo que se le ha indicado, para seguidamente ser liberado comenzando las oscilaciones. Una vez que el péndulo haya cesado su movimiento pulsen Parar para que el sistema deje de registrar datos. Para realizar posteriormente el análisis del movimiento será necesario que en el experimento se hayan registrado como mínimo 5 oscilaciones. Si desea repetir de nuevo el experimento siga los pasos indicados en los párrafos anteriores. En la esquina superior derecha de la página se puede acceder a los resultados (los datos registrados son la posición angular (rad) y el tiempo (s)). Guarde estos datos en un fichero con extensión *.txt. Abra este fichero en una Hoja de Cálculo (ej. Excel), importando los datos a partir del fichero anterior y realice la representación Posición Angular = f (Tiempo). btendrá el mismo gráfico que visualizaron in situ al realizar la experiencia. Debe tener en cuenta la siguiente indicación: el tiempo comienza a registrarse en cuanto el péndulo se pone en movimiento para alcanzar el ángulo que se le ha indicado. Pero el tiempo real que debe utilizar es el que se registra cuando el péndulo se libera, cumpliéndose en ese momento θ ( t = 0) = θo. Es decir, se deben eliminar aquellos datos anteriores a la situación de posición angular máxima, y se deben sustraer a los tiempos el dato del tiempo correspondiente a dicha posición. 3.1 Cálculo de la constante de amortiguamiento, γ. Para el cálculo de la constante de amortiguamiento se tendrá en cuenta la dependencia exponencial de la amplitud en función del tiempo, es decir: Página 3 de 5

4 0 o t 4I Θ = θ e = θ e (5) siendo Θ el valor de la amplitud (posición máxima o mínima) en cada periodo de oscilación (ver figura 3). Figura 3.- Valores de las Amplitudes máximas para cada Periodo de oscilación Será pues necesario obtener los valores de Θ y los correspondientes de t. Si se utiliza la hoja de cálculo Excel esto puede hacerse fácilmente, ya que representando los datos experimentales θ=f(t), al situar el cursor en un punto se obtienen directamente sus coordenadas {x,y} (en este caso, {t, θ}). Si se toman logaritmos neperianos en la expresión (5), obtendremos: ln Θ = lnθo t (6) 4I Esto indica que lnθ es linealmente proporcional al tiempo (t), con una constante de proporcionalidad igual a (que es justamente la pendiente de la recta lnθ = f(t) y 4I cuyo valor absoluto coincide con β ). Así, al representar lnθ = f(t) se debe obtener una línea recta. Realizando un ajuste por mínimos cuadrados a la función, del valor de la pendiente se podrá obtener la constante de amortiguamiento, γ. (Este coeficiente deberá tener el mismo valor tanto si se trabaja con los puntos de amplitud máxima en coordenadas positivas como si se trabaja con los puntos de amplitud máxima en coordenadas negativas). Página 4 de 5

5 3. Cálculo de la frecuencia de vibración, ω. El valor de la frecuencia de vibración se puede conocer a partir de la medida directa del periodo, T, en la representación θ=f(t) π ω = (7) T A partir de los valores calculados γ y ω y de la amplitud inicial θ o, utilizando la ecuación del movimiento (4) y dando diferentes valores a t (tiempo), obtengan los valores correspondientes a las diferentes amplitudes. Representen conjuntamente los datos experimentales, θ=f(t), y los obtenidos a partir de los valores calculados. Discutan si existen diferencias significativas entre ambos. 3.3 Cálculo de la velocidad angular instantánea Para calcular la velocidad angular instantánea y con objeto de minimizar los errores experimentales se procederá como se describe a continuación. Utilizando únicamente 1 de cada 10 valores experimentales (θ o,t), (θ 10, t), (θ 0,t),. Se calculará la diferencia entre los valores consecutivos de las posiciones y de los tiempos θ 10(n+1) -θ 10n y t 10(n+1) -t 10n, con n = 0, 1,, para obtener la velocidad como:. θ θ = (8) t Representen la posición en función de la velocidad angular, θ=f( θ ). Analicen y discutan la forma de la gráfica, relacionándola con el hecho de estar estudiando un movimiento amortiguado. Datos: considere el péndulo como una barra rectangular de masa, m= 40.4 g y dimensiones las de la figura, siendo el espesor despreciable y la distancia entre los orificios de 9 mm. Diámetro del eje: D=6.5 mm Página 5 de 5