LEY DE HOOKE. Verificar la validez de la ley de Hooke para diferentes resortes helicoidales, tanto en estiramiento como en compresión.

Transcripción

1 LEY DE HOOKE 1. OBJETIVO Verificar la validez de la ley de Hooke para diferentes resortes helicoidales, tanto en estiramiento como en compresión. 2.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS Cuando un material recupera su forma original al cesar la acción de una fuerza recibe el nombre de elástico. En estos materiales existe una relación lineal, ley de Hooke, entre la fuerza a la que están siendo sometidos y la deformación que experimentan, deformación que dependerá tanto de las dimensiones geométricas del cuerpo como de las características del material. Un ejemplo de cuerpo elástico es el muelle o resorte helicoidal. A partir de medidas directas de fuerza y desplazamiento puede determinarse la constante del muelle que posteriormente podrá utilizarse para determinar fuerzas, sin más que medir los alargamientos que producen. La ley de Hooke se expresa como: F = k x (1) donde k es la constante de fuerza del resorte que nos da una medida de la rigidez del mismo. Los resortes rígidos tienen valores grandes de k mientras que los resortes suaves tienen valores pequeños de k. El signo negativo significa que cuando el muelle se estira o comprime da lugar a una fuerza de restitución dirigida hacia la posición de equilibrio. 3.- MATERIAL UTILIZADO 4 Resortes para alargamiento 2 Resortes para compresión Sensor de Fuerza Ordenador Regla Papel milimetrado Dispositivos de sujeción - 1 -

2 4.- EXPERIMENTACIÓN El dispositivo experimental utilizado es muy sencillo (figura 1), únicamente es necesario una prensa de tornillo para sujeción del resorte, el sensor de fuerzas a través del cual podremos conocer directamente la fuerza ejercida sobre el resorte y una regla para medir la elongación experimentada en el muelle por acción de la fuerza. Figura 1. Dispositivo experimental para alargamiento El sensor de fuerzas va conectado a un puerto USB del ordenador y para la adquisición de datos se utiliza el software DataStudio. Para iniciar el programa, pulse en el icono que aparece en el escritorio. A la pregunta cómo desea usar DataStudio? Seleccione Abrir actividad y busque en Disco local (C:)/LABORATORIO FÍSICA I/ley-de-Hooke el fichero plantilla; al abrirlo aparecerá la siguiente pantalla, que se divide en tres zonas A, B y C (figura 2). Figura 2. Pantalla Inicial - 2 -

3 En la zona A ( Resumen de datos ), aparecen los sensores que van a ser utilizados (en nuestro caso únicamente el sensor de fuerzas). Debe verificarse que el sensor está activo, en caso de no ser así aparecerá una exclamación en color amarillo al lado del mismo tal y como se indica en la figura 3. Si esto ocurre deberán comunicárselo a un responsable del laboratorio. Figura 3. Sensor no Activo En la zona B se indican las diferentes pantallas de datos que pueden mostrarse, siendo en la zona C donde se visualizan. Las pantallas que serán de utilidad en el transcurso de la práctica son: : Las pantallas de gráficos representan los datos del sensor con respecto al tiempo. : muestra los datos en columnas. : muestra el valor de la fuerza en cada momento durante la ejecución del experimento. Previamente a la realización de la toma de datos, se procederá a configurar el experimento y a establecer las condiciones de ensayo. En la ventana Configuración del experimento (figura 4), se elige la frecuencia de muestreo. Se trabajará con una frecuencia de muestreo de 500 Hz, es decir, la toma de datos se realizará cada 0,002 s. Figura 4. Configuración del Experimento - 3 -

4 Una vez establecidos los parámetros de ensayo, se procederá a sujetar el muelle por uno de sus extremos, dejando el otro extremo libre para enganchar el sensor de fuerzas. La elongación se va a medir sobre un papel milimetrado colocado justo por donde se va a desplazar el muelle, procurando así que los errores de lectura sean mínimos. Antes del inicio de la medida, y cuando sobre el sensor de fuerza no se ejerza aún ninguna fuerza, presionen el botón (ZERO) que se encuentra en la parte superior del sensor para tararlo a cero. Podrán comprobar si efectivamente dicho sensor se encuentra en el punto 0.0 N al iniciar el experimento, si la pantalla del medidor digital se encuentra abierta. Si han comprobado que todo está correcto pulsen el botón y comiencen lentamente a estirar el muelle, manteniéndolo durante unos segundos en los puntos de elongación que previamente sobre el papel milimetrado hayan seleccionado. Cuando terminen el experimento pulsen sobre el botón. Las diferentes tomas de datos irán apareciendo en la sección A de la pantalla con la notación Ensayo 1, Ensayo 2.. Estas leyendas pueden cambiarse por otras que se deseen, colocando el puntero del ratón sobre ellas y pulsando el botón izquierdo del mismo dos veces de forma discontinua. Cuando se realice una toma de datos no válida, ésta podrá eliminarse seleccionando en el menú principal Experimento Suprimir último ensayo de datos. Una vez realizada la toma de datos, sobre el gráfico obtenido mediremos los valores de fuerza para las diferentes elongaciones. Cuando se trata de valores pequeños de fuerza los sensores que se utilizan, debido a su sensibilidad, pueden presentar comportamientos similares a los de la figura 5. Figura 5. Toma de Datos El valor de la fuerza oscila de forma constante entre un máximo y un mínimo, para conocer su valor, a una elongación elegida, seleccionamos los puntos adecuados con el puntero del ratón (zona amarilla) y pulsando sobre el icono, ubicado en la parte superior del - 4 -

5 gráfico, podemos ya leer el valor buscado. En el caso de compresión, la forma de operar es análoga, siendo ahora el dispositivo experimental el que se presenta en la figra 6. Figura 6. Dispositivo experimental para compresión Cálculo de la constante (k) de los diferentes resortes. Verifiquen el cumplimiento de la ley de Hooke en dos de los cuatro resortes helicoidales para elongación y en los dos de compresión. Determinen la constante de fuerza de los resortes realizando un ajuste por mínimos cuadrados a los datos (y=a+bx). Para la realización de los diferentes ajustes se requieren al menos 7 pares de valores en los casos de estiramiento y 5 pares de valores en compresión. Comenten los resultados obtenidos. Elongación 1 er Muelle 2º Muelle - 5 -

6 Compresión 1 er Muelle 2º Muelle Para la realización de los ajustes pueden utilizar Excel u otra hoja de cálculo. En todos los ordenadores del laboratorio está instalada la hoja de cálculo Excel y el procesador de datos Word. Todos los ordenadores se encuentran en red con una impresora, ubicada en el laboratorio, disponible para la impresión de los datos y gráficos que deseen. Al terminar la práctica, entreguen una copia de los datos experimentales obtenidos indicando el título de la práctica, sus nombres y apellidos, grupo de teoría al que pertenecen y fecha de realización. En el Informe a entregar, se deben incluir todas las tablas de datos, las gráficas y ajustes realizados, los valores calculados y su comparación con los valores reales, comentando los posibles errores cometidos, y las conclusiones obtenidas