Cuánto tarda una pelota en dejar de botar?

Transcripción

1 Cuánto tarda una plota n djar d botar? Dr. Guillrmo Bcrra Córdoa Unirsidad Autónoma Chapino Dpto. d Prparatoria Arícola Ára d Física Profsor-Instiador xt llrmbcrra@yahoo.com Km. 8.5 d la Carrtra Fdral México-Vracruz, Chapino, Txcoco, Edo d México. Rsumn Aluna z s ha pruntado: cuánto timpo tarda una plota n djar d botar al sr soltada dsd una cirta altura? La solución a sta intrroant inolucra los tmas d caída libr y colisions lásticas, lo qu incluy los concptos d rapidz, aclración d la radad y coficint d rstitución. Así, la rapidz con la qu botará la plota dpndrá dl alor d la rapidz con la qu llu al sulo y dl coficint d rstitución ntr la suprfici y la plota. En una colisión prfctamnt inlástica l coficint d rstitución srá iual a cro y la plota s qudará adhrida al sulo dspués dl primr rbot. En una colisión prfctamnt lástica, l coficint d rstitución srá iual a uno, por lo qu la plota rbotará con la misma rapidz con la qu lló al sulo, siuindo st moiminto indfinidamnt. Si l coficint d rstitución s ncuntra ntr cro y uno, qu s la mayor part d las colisions, la rapidz d la plota irá disminuyndo n cada bot hasta qu s dtna. D sta forma, l timpo qu tard la plota n djar d botar srá iual a la suma d los timpos qu tarda la plota n cada rbot. Esta suma corrspond a una suma infinita, la cual stá idntificada con una xprsión particular. Est trabajo tin por objtio dducir sta xprsión y comparar los rsultados tóricos con los xprimntals. En la dducción d la xprsión qu calcula l timpo qu tarda una plota n djar d botar al sr soltada dsd una dtrminada altura s ha supusto qu l moiminto dl objto s considra n una sola dircción y sin rotación, al iual qu s dsprcia la fricción proocada por l air y l timpo qu utiliza la plota n botar. Palabras cla: Rapidz, timpo, coficint d rstitución, caída libr.

2 OBJETIVOS: Dducir la xprsión qu calcula l timpo qu tarda n djar d botar una plota al sr soltada dsd una cirta altura, para un coficint d rstitución dado. Mdir xprimntalmnt l timpo qu tarda una plota con cirto coficint d rstitución y compararlo con l rsultado tórico. INTRODUCIÓN: D muchos s conocido qu l timpo qu tarda un objto n car dsd una cirta altura, s un problma qu ha sido rsulto dsd hac mucho timpo. D hcho, st tipo d moimintos sta clasificado dntro d lo qu s conoc como Moiminto Rctilíno Uniformmnt Variado, n dond l curpo s mu n lína rcta y con aclración constant, s dcir, la locidad cambia uniformmnt para iuals intralos d timpo. En l caso d curpos qu s muan bajo la acción d la radad d la tirra, l alor d la aclración s d a = = 9.8 m/s. En conscuncia, l timpo qu tarda n llar al sulo un objto qu s ha soltado dsd una cirta altura, s iual a: t / Dond s la manitud d la locidad dl objto justo ants d llar l sulo; s la manitud d la aclración d la radad y t s l timpo qu tarda l objto n llar al sulo. Si l objto s una plota con un coficint d rstitución ntr lla y l piso, y admás la colisión s unidimnsional, ntoncs la manitud d la locidad con la qu rbotaría sría iual a: Dond s la locidad dl objto ants dl rbot y s la manitud d la locidad dl curpo dspués dl rbot. Por lo tanto, l timpo qu tardaría l curpo n llar d nuo al piso sría d: t / / Para l trcr moiminto, s tndría qu l timpo qu tardaría n llar d nuo al sulo s d: t / / / 4 En conscuncia, l timpo qu tardaría la plota n djar d botar s iual a la suma infinita d los timpos qu tarda n cada rbot, s dcir: t t t... 5 / / / /... 6 Factorizando

3 (...) 7 La suma qu s ncuntra ntr paréntsis s una sri infinita conrnt para y stá idntificada con la siuint iualdad:... i i 0 8 Por lo qu la cuación 7 toma la forma siuint: 9 Como nralmnt s difícil conocr la locidad con la qu lla la plota al sulo n l primr rbot, crmos connint xprsar la cuación antrior n función d la altura a la qu s dja car l curpo, s dcir: h / h / 0 Dond: / h Dond h s la altura a la qu s sulta la plota. Para calcular xprimntalmnt l coficint d rstitución, s dja car la plota dsd una altura dtrminada y s mid la altura a la qu lla dspués dl primr bot. Con st par d datos s calcula l coficint con solo sustituir n la siuint cuación: y y / Dond s la locidad con la qu lla la plota al sulo y s la locidad d la plota dspués dl rbot; y s la altura dsd la qu s soltada la plota y y s la altura a la qu lla la plota dspués dl rbot con l sulo. Con las cuacions 0 y s posibl calcular tóricamnt l timpo qu tarda una plota n djar d botar al sr soltada dsd una altura h. En sta dducción stamos suponindo qu l coficint d rstitución s indpndint d la locidad con la qu s lla a cabo la colisión ntr la plota y l sulo. Sin mbaro sta hipótsis no s dl todo rdadra, ya qu s ha notado qu l coficint d rstitución aría n función d la altura dsd la cual s soltada. Est trabajo no tin por objtio dducir sta dpndncia.

4 En la cuación 0 obsramos qu si l coficint d rstitución s iual a cro, la plota no rbotaría, qudando pada al sulo. En st caso l timpo total s simplificaría a: h / Por otra part, si l coficint d rstitución s iual a, al sustituir n la cuación 7 s obsra qu l timpo total tndrá un alor infinito, s dcir:... 4 Qu corrspond al timpo qu tarda una plota qu simpr rbota a la misma altura. MATERIAL: Plotas d difrnts matrials. Cronómtro. Flxómtro. DESARROLLO: S utilizaron plotas d difrnt matrial, midindo su rspctio coficint d rstitución y l timpo qu tarda cada una n djar d botar. La primra plota qu utilizamos fu una d pin pon, dando los siuints rsultados: y y / 0.7 m m / 0.86 Con st dato calculamos l timpo total qu tarda la plota n djar d botar, utilizando para llo la cuación 0: s Con h m. Ralizamos 0 cs l xprimnto para mdir l timpo total d los rbots, dando los siuints rsultados: t 9. 5 s t 9. 7 s t 9. 7 s t 0. s 4 t 9. 5 s t 0 s 5 6 t 9. 6 s t 9. 8 s 7 8 t 9. 6 s t 9. 8 s Tabla

5 El timpo promdio s d 9.7 s. qu comparado con l obtnido tóricamnt, mos qu hay una difrncia d 9.9%. Esta discrpancia s pud xplicar arumntando qu l coficint d rstitución aría dpndindo d la altura a la qu ca la plota. Así, mos qu l disminuy l coficint a mdida qu la altura aumnta y s mayor si la plota bota dsd una altura muy pquña. Para una plota d tnis, s obtuiron los siuints rsultados: y y / 0.7 m m / 0.86 Con st dato calculamos l timpo total qu tarda la plota n djar d botar, utilizando para llo la cuación 0: Efctuando 0 cs l xprimnto, s lló a los siuints rsultados: s t 6. 4 s t 6. 4 s t 6. s t 6. 4 s 4 t 6. 9 s t 6. 5 s 5 6 t 6. 6 s t 6. 6 s 7 8 t 6. 4 s t 6. 5 s Tabla Cuyo promdio s 6.49 s. qu comparado con l tórico, s obsra qu hay difrncia dl 8.6%. En st caso mos qu l coficint d rstitución d la plota d tnis aría mnos qu l d la plota d pin pon. Para l último xprimnto utilizamos una plota d hul cuyo coficint d rstitución s: y y / 0.8 m m / 0.9 Calculando l timpo qu tarda la plota n djar d botar, s obtin: 9. 7 s Con h m. Midindo s timpo xprimntalmnt n 0 nsayos, tnmos los siuints rsultados: t. s t. 6 s t. s t. 5 s 4 t. 5 s t. 6 s 5 6

6 t. 4 s t. s 7 8 t. 6 s t. 4 s Tabla Cuyo timpo promdio s d.45 s. qu comparado con l rsultado tórico, s obsra qu hay una difrncia dl 8.5%. VERIFICACIÓN: Cuáls son las caractrísticas dl moiminto rctilíno uniformmnt ariado? Dados la locidad con la qu choca un objto y la aclración d la radad, cómo s calcula l timpo qu tarda n car un objto? Qué s l coficint d rstitución? Qué unidads tin l coficint d rstitución? Entr qué alors s pud ncontrar l coficint d rstitución? Cómo s pud ncontrar xprimntalmnt l coficint d rstitución? Si l coficint d rstitución d una plota s, cuánto tardaría n djar d botar? Es constant l coficint d rstitución? D qué dpnd? Pudn xistir coficints d rstitución mayors a? A qué s db qu los rsultados tóricos con los xprimntals no san similars? Qué plota aría mnos su coficint d rstitución? En cuál aría más? CONCLUSIONES: Los rsultados nos indican qu n nral l coficint d rstitución para muchos matrials no s constant, dpnd d la locidad con la qu s lla a cabo la colisión, qu a su z n st caso dpnd d la altura a la qu s sulta. Dbido a qu l coficint d rstitución no s constant, los rsultados tóricos y los xprimntals no son similars. Est método s pud mplar para rificar si una plota tin un coficint d rstitución constant.