CARRIL NEUMÁTICO Movimiento unidimensional

Transcripción

1 CARRIL NEUMÁTICO Movimiento unidimensional 1. OBJETIVO En esta práctica se pretende mostrar, de forma experimental, los resultados que el alumno conoce del movimiento unidimensional. 2. FUNDAMENTOS TEÓRICOS a) Movimiento Uniforme (MU) Se caracteriza por una dependencia lineal del espacio con el tiempo: x(t)=xo+vt (1) Sobre el móvil no actúa fuerza alguna, siendo la velocidad, v, constante y la aceleración, a, nula. b) Movimiento Uniformemente Acelerado (MUA) La ecuación que permite calcular la posición en función del tiempo viene definida a través de la expresión: x(t)=xo+vot+1/2at² (2) Sobre el móvil actúa una fuerza constante siendo la velocidad: y la aceleración, a, constante. v(t)=vo+at (3) 3. MATERIAL UTILIZADO Carril neumático: tubo de aluminio cuadrado de dimensiones 63 mm x 63 mm, y 2 m de longitud, apoyado en tres patas que permiten su nivelación. Presenta una serie de orificios por los que sale aire a presión, formando un colchón o cojín neumático entre el carril y el móvil que minimiza el rozamiento. Carril neumático. Movimiento unidimensional 1

2 Bomba soplante: suministra una corriente de aire al carril mediante una manguera flexible. Listón de aluminio donde van insertadas las fotocélulas de reflexión, responsables de la toma de datos. Carrito: perfil de aluminio anodizado, l=130 mm, al que se pueden incorporar varios elementos enchufables. Pantalla reflectante ó bandera: de material plástico de color blanco cuya función es interrumpir la luz que reciben las fotocélulas de reflexión. Horquilla conectable con goma elástica para evitar choques con los topes del carril. Pesas para elevación del carril en la realización del movimiento uniformemente acelerado. Tarjeta externa de adquisición de datos. Fuente de Alimentación para las fotocélulas de reflexión. Ordenador 4. EXPERIMENTACIÓN a) Comienzo de la sesión. Pulsen sobre el icono Carril Neumático ubicado en el escritorio y seleccionen en la pantalla que aparece a continuación la opción Nuevo Usuario. Introduzcan los datos que se solicitan (nombre y apellidos de los alumnos, usuario y contraseña) y pulsen Aceptar. Una vez creado su perfil aparecerá de nuevo la pantalla inicial en la cual volverán a introducir el usuario y la contraseña, teniendo así acceso al programa para realizar los diferentes experimentos. b) Comprobación de las fotocélulas. Para la toma de datos se utiliza un conjunto de 16 fotocélulas de reflexión. Cuando la pantalla reflectante pasa por debajo de una de las fotocélulas, ésta se activa y desactiva registrándose respectivamente los tiempos de entrada y de salida. Enchufen la soplante y la fuente que alimenta a las fotocélulas En la opción del programa Calibrar seleccionen Test fotocélulas y sigan las instrucciones que se indican. Si se han activado todas las fotocélulas al paso de la pantalla, aparecerá una luz verde a su lado que indica que la lectura se ha realizado correctamente. Pulsen Asignar valores y continúen con el experimento. c) Toma de datos. La toma y análisis de datos se realiza de forma automática en tiempo real. En el menú principal seleccionen el experimento que deseen realizar (Movimiento Uniforme ó Movimiento Uniformemente Acelerado). Una vez seleccionado el movimiento sigan todas las especificaciones que se indican. Las masas que aparecen antes de la realización del experimento puede que no coincidan con los valores reales, por ello deben pesar todos los elementos que intervienen en cada movimiento e introducir sus valores reales. El carrito puede sacarse del carril quitando los tornillos que sujetan los topes de los extremos. Carril neumático. Movimiento unidimensional 2

3 Una vez finalizado el experimento: Se muestra una pantalla con las gráficas correspondientes al experimento realizado que permite determinar si el movimiento es correcto. Se pueden visualizar las tablas de datos (número de fotocélula, tentrada y tsalida) pulsando el icono Ver datos Muestreo. Desde esta opción no se deben copiar los datos. Para aquellos experimentos que consideren válidos pulsen la opción Guardar. Los datos se almacenarán automáticamente en el directorio C:\Datos de las prácticas\fecha de la experiencia\usuario\nombre experimento.txt. Estos datos siempre se expresan en unidades del sistema internacional, ya se refleje explícitamente o no. Si desean guardar sus datos en un disquete u otro dispositivo externo, para la realización del análisis posterior, pueden utilizar la opción Guardar en dispositivo externo una vez que todos los experimentos se han realizado, o bien accedan mediante la ruta indicada en el párrafo anterior a sus experimentos y copien los ficheros de interés. Si durante el transcurso de la experiencia se quiere visualizar algún experimento realizado con anterioridad, pulsen el icono situado en la esquina inferior derecha de la pantalla Abrir y seleccionen el experimento. Igualmente se procederá si se desea borrar alguno de los ya realizados, seleccionando ahora el icono Borrar. d) Análisis de datos. Los datos aparecen en columnas e indican los siguientes valores: número de fotocélula, tiempo de llegada (tiempo que se registra al detectar cada fotocélula la entrada de la pantalla enchufable) y tiempo de salida (tiempo que se registra al detectar cada fotocélula la salida de la pantalla enchufable). Téngase en cuenta para la realización de los diferentes cálculos que: El espacio entre fotocélulas es 0.11 m. Para el cálculo de la velocidad instantánea se utilizará la expresión: vi velocidad instantánea = tamaño de la bandera / tiempo que tarda la bandera en atravesar cada fotocélula. A partir de las velocidades instantáneas se calcularán las aceleraciones instantáneas y las energías cinéticas. Para el cálculo de la aceleración instantánea se utilizará la expresión: ai aceleración instantánea = vi / t (variación entre fotocélulas contiguas). Para el cálculo de la energía potencial en cada fotocélula, hay que tener en cuenta el ángulo del plano inclinado formado en el carril. En todas las representaciones se evalúa un parámetro (espacio, velocidad, aceleración..) frente al tiempo, pudiéndose utilizar tanto los tiempos de entrada como los tiempos de salida. Carril neumático. Movimiento unidimensional 3

4 4.1.- Estudio del Movimiento Uniforme Coloquen una horquilla en cada lado del carrito ó bien en los extremos del carril. Una vez dada la orden de toma de datos en el ordenador, el movimiento uniforme se consigue mediante un pequeño impulso del carrito a través de la horquilla. Al realizar el recorrido del móvil sobre las 16 fotocélulas aparecerá en la pantalla del ordenador la información recogida. Se visualizarán las gráficas s=f(t) y vinstantánea=f(t). Realicen los cálculos que consideren oportunos y representen a partir de los datos registrados en las 16 fotocélulas las gráficas: - espacio=f(t) (tomen el origen, s=0 y t=0, en la primera fotocélula), realicen un ajuste lineal, ajuste por mínimos cuadrados, y determinen el valor de la velocidad. - vinstantánea=f(t). En esta gráfica representen también el valor de la velocidad obtenida anteriormente. Discutan los resultados obtenidos Estudio del Movimiento Uniformemente Acelerado Este tipo de movimiento se consigue inclinando el carril. Para ello coloquen una pieza plana, puede ser una o dos pesas, de grosor conocido bajo una de las patas (la de apoyo único) del carril. Introduzcan en el programa la altura de la pieza plana y la masa del móvil (comprueben si la masa del móvil (carrito+accesorios) corresponde a la indicada en la pantalla del ordenador, de no ser así deberá introducirse el valor real). Para poner en movimiento el carrito basta con soltarlo desde el extremo del carril. Se visualizarán las gráficas espacio=f(t), vinstantánea=f(t) y ainstantánea=f(t). Realicen los cálculos que consideren oportunos y representen a partir de los datos registrados en las 16 fotocélulas las gráficas: - espacio=f(t) (tomen el origen, s=0 y t=0, en la primera fotocélula), realicen un ajuste polinómico de orden 2, ajuste por mínimos cuadrados, y determinen el valor de la aceleración. - vinstantánea=f(t), realicen un ajuste lineal, ajuste por mínimos cuadrados, y determinen el valor de la aceleración. - ainstantánea=f(t). En esta gráfica representen también el valor de la aceleración obtenida anteriormente. Carril neumático. Movimiento unidimensional 4

5 - Ecinética, Epotencial, Emecánica=f(t), Se cumple la conservación de la energía? Discutan los resultados obtenidos. De la aplicación de la 2º ley de Newton al plano inclinado que forma el carril, se puede calcular fácilmente el valor de la aceleración. Comparen este valor así calculado con el valor obtenido a través de las fórmulas del movimiento uniformemente acelerado. Evalúen si en la experiencia ha influido, o no, el rozamiento entre la superficie del carrito que se desplaza y el carril. Para la realización de los gráficos y 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. Carril neumático. Movimiento unidimensional 5