OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Transcripción

1 EXPERIENCIA Nº 5 UNIVERSIDAD TÉCNICA FEDERICO SANTA MARÍA DEPARTAMENTO DE FÍSICA LABORATORIO FIS 110 OSCILACIONES OBJETIVO GENERAL Después de realizar con éxito esta experiencia usted debería ser capaz de establecer una relación entre el periodo de oscilación y la masa, para un cuerpo que se mueve bajo la acción de fuerzas restauradores lineales (ver Apéndice) OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1. Medir el período de oscilación de un cuerpo que cuelga de un resorte. 2. Verificar si existe una relación entre el cuadrado del período de oscilación y la masa del peso colgado. 3. Verificar si el período de oscilación depende de la amplitud de la oscilación. 4. Determinar la constante elástica del resorte (ver definiciones en Apéndice) y comparar con el valor dado. 5. Graficar la energía cinética, la energía potencial y la energía mecánica total del sistema en función del tiempo (ver definiciones en Apéndice). Verificar si se conserva o no la energía mecánica del sistema. Si no se conserva, estimar el porcentaje de energía perdida en cada período.

2 Informe Previo El informe previo es individual y debe entregarse puntualmente un día hábil antes de la sesión de laboratorio, es importante que sea breve, claro, ordenado y preciso al momento de redactar su informe previo. Además, debe seguir la siguiente estructura: Portada: La cual debe contener el nombre y número de la experiencia, el nombre de los miembros del grupo, nombre del ayudante titular y la fecha de entrega Introducción: 1. En sus propias palabras y no más de 10 líneas: Cuáles son los objetivos de esta experiencia? Escriba objetivos específicos y concretos, y en términos de lo que usted debe lograr. No escriba objetivos generales ( aprender física ), ni objetivos impersonales ( presentar las leyes de la física ). 2. En sus propias palabras y no más de 10 líneas: Dé una breve descripción de la experiencia enfocándose en el procedimiento experimental y el análisis de datos. Desarrollo: en este se debe realizar una composición literaria respondiendo todas las preguntas que se plantearan a continuación (Antes de responder estas preguntas, lea esta guía completa. 3. Se deja oscilar un cuerpo unido a un resorte durante 2 minutos, se sabe que la Energía mecánica inicial es de 0,041 [J] y al final es de 0,029 [J]. Calcule el porcentaje de Energía mecánica perdida por oscilación. (el periodo de una oscilación es de 0,676 [s]). (Hint: Para llegar a la solución puede utilizar la regla de 3, procure dejar bien explicado su razonamiento durante el desarrollo del ejercicio y por ultimo para obtener el porcentaje de energía perdida por oscilación asuma que el porcentaje de energía total perdida = 100% de la energía perdida) 4. A partir del grafico calcule el valor de la constante elástica k del resorte, de la misma manera en que se realizara en el laboratorio y especificado en el análisis de datos. Utilice la relación entregada en el apéndice para el T)

3 BREVE DESCRIPCIÓN DE LA EXPERIENCIA En esta experiencia usted hará oscilar verticalmente un cuerpo colgado de un resorte y registrará la posición en función del tiempo usando la cámara VideoCom. Además, realizará mediciones del período de sus oscilaciones Para una masa dada, repetirá la medición con diferentes amplitudes iniciales. Para una amplitud dada, repetirá la medición para diferentes valores de la masa del cuerpo. Graficará el cuadrado del período en función de la masa y verificará si hay una relación lineal. La constante elástica del resorte puede obtenerse a partir de la pendiente de este gráfico. Graficará las energías cinética, potencial y mecánica total en función del tiempo y estimar el porcentaje de la energía perdida en cada período. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL No imprima ningún gráfico, a menos que se indique expresamente 1. Anote la masa del portapesas, y la masa y el valor nominal de la constante elástica del resorte. 2. Debe instalar el resorte desde abajo hacia arriba en el trípode y por el extremo más abierto, como lo indicara el ayudante. 3. PERIODO EN FUNCIÓN DE LA MASA. Agregue al portamasas la masa inicial que aparece en su borrador luego asegúrese de dejar el resorte en una posición de equilibrio (Para esto el electro imán NO debe estar sujeto al portamasas), luego mida aproximadamente 2 [cm] de amplitud y ubique el electro imán justo por debajo de portamasas asegurándose que este se encuentra bien centrado para que las oscilaciones ocurran de manera vertical y no se produzcan bamboleos laterales. Acerque el portamasas al electro imán hasta que este quede sujeto y comience con las mediciones (el electro imán liberara automáticamente el sistema cuando usted inicie la toma de datos) registre como mínimo 15 oscilaciones mediante la cámara y el programa asociado. Utilizando el comando medir diferencias mida el Periodo de 10 oscilaciones T 10 y para obtener el Periodo de una oscilación divida el T 10 entre 10 ( T ). Utilice una nueva combinación de masas para realizar la siguiente medición siguiendo el orden que se encuentra en su borrador (separe el electro imán del portamasas, antes de alejarlo del portamasas, para luego agregar masas al sistema y recuerde buscar la nueva posición de equilibrio) y utilice el procedimiento anterior, hasta completar las 7 mediciones. 4. PERIODO EN FUNCIÓN DE LA AMPLITUD. Usando toda la masa disponible como fija y utilizando el procedimiento anterior mida el período con una amplitud inicial de 4 [cm] y 6 [cm] (elija valores de la amplitud menores si las pesas tienden a salirse del portamasas). Registre ambos datos en su borrador (para amplitud inicial de 2 [cm] copie el último dato de Periodo en función de la masa). 5. ENERGÍA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO. En ajustes seleccione que la medición se detenga automáticamente después de 120 segundos. Usando la misma masa fija anterior deje que el sistema oscile por dos minutos, registrando la posición en función del tiempo. Guarde en un archivo, con el nombre energía, el registro de la posición en función del tiempo, para su análisis posterior. Descuelgue el resorte y guárdelo adecuadamente.

4 ANÁLISIS DE LOS DATOS 1. PERIODO EN FUNCIÓN DE LA MASA. Usando el programa MICROCALORIGIN construya una tabla y un gráfico del cuadrado del período en función de la masa total del peso colgado. (1/3 Masa del resorte + Masa porta masas + Masas agregadas, debe utilizar las masas en [Kg]). Verifique si la relación es lineal. Si la respuesta es afirmativa, haga una regresión lineal y obtenga la pendiente y su error. Use este valor para calcular la constante elástica del resorte y su error experimental. Compare este valor con el valor nominal. Imprima este gráfico. (Siguiendo el formato dado en el Apéndice de Origin) 2. PERIODO EN FUNCIÓN DE LA AMPLITUD. Verifique si el período de las oscilaciones para una masa fija depende o no de la amplitud inicial. 3. ENERGÍA EN FUNCIÓN DEL TIEMPO. a) Abra el archivo guardado como energía, para obtener el punto de equilibrio utilice el comando valor medio de intervalos en la pestaña de recorrido y seleccione aproximadamente todo el tramo. Registre en su borrado el valor obtenido por el programa conservando el signo de este. b) Grafique en un mismo diagrama las variables energía cinética, energía potencial y energía mecánica total del sistema en función de tiempo, para esto en ajustes, seleccione la pestaña formulas y escriba las 3 ecuaciones correspondientes (puede verificarlas en el apéndice) separadas por una línea (utilizando la tecla enter), además complete los espacios de Magnitud, Símbolo, Unidad, Mínimo y Máximo con: Energía, E, J, -0,1, 0,1 respectivamente. Luego sobre este nuevo grafico seleccione ajustes la pestaña predeterminados cambie el tiempo prefijado de 120 segundos, a 2 segundos con esto debería obtener un gráfico donde claramente se distinguen las 3 energías graficadas. Utilice el comando valor medio intervalos para obtener la energía mecánica de un pequeño tramo en el inicio de este gráfico y en el final de este mismo, pegue ambas marcas por encima de la energía mecánica. Además, deberá agregar con pegar marcas / texto donde deberá identificar cada color con la energía que corresponda. Por ultimo agregue el siguiente título Energía 5 oscilaciones. Imprima este gráfico. c) Debe volver al gráfico completo para el intervalo de dos minutos en ajustes vuelva a cambiar el tiempo prefijado por 120 segundos nuevamente, obtenga la energía mecánica al comienzo y al final de dicho intervalo. Para la del comienzo puede utilizar el dato medido anteriormente en el punto b) (cualquiera de los 2 o un promedio, como usted estime conveniente), mientras que para el final deberá utilizar el comando zoom y seleccionar un intervalo del final, ahora mida la energía mecánica del mismo modo que en el punto b). Calcule aproximadamente el porcentaje de energía disipada durante esos dos minutos, y también el porcentaje promedio de energía disipada en un período.

5 APÉNDICE: VOCABULARIO 1. Una fuerza se llama restauradora, si varía con la posición de modo tal que: a) tiene un punto de equilibrio O. b) en los demás puntos, la fuerza siempre apunta hacia el punto de equilibrio. Por ejemplo, los resortes que actúan sobre el carro de la figura ejercen sobre él una fuerza neta restaura- dora, con punto de equilibrio O. F X O x O x 2. Para deformaciones no muy grandes, la fuerza ejercida por un resorte sobre un cuerpo es directamente proporcional a la deformación. Este resultado se conoce como la Ley de Hooke: F X = k x en donde x es la deformación del resorte respecto a su largo natural (largo del resorte en posición de equilibrio): x = l l 0 y k una constante característica del resorte llamada constante elástica. Un resorte capaz de almacenar energía al estar deformado. Se puede demostrar que la energía potencial almacenada en un resorte deformado, está dada por: E Potencial elástica = 1 K X2 2 La energía cinética de un cuerpo está dada por: E cinética = 1 m v2 2 La energía mecánica total del sistema es la suma de la energía potencial más la energía cinética: E mecánica total = E cinética + E potencial El periodo de una oscilación se relaciona de la siguiente manera: T = 2π m k