GUIAS DE LABORATORIO I DE FISICA

COMPOSICIÓN Y DESCOMPOSICIÓN DE FUERZAS

Adaptación del Experimento Nº 4 de la Guía de Ensayos y Teoría del Error del profesor Ricardo Nitsche, página 51-54. Autorizado por el Autor.

Materiales:

Mesa de fuerza Juego de pesas varias Regla, compás y transportador

OBJETIVOS

Al finalizar el ensayo el participante ha de estar en capacidad de confirmar, aplicando suma de vectores, que la fuerza es una cantidad vectorial. Para ello ha de ser capaz de:

Determinar experimentalmente la fuerza equilibrante de un sistema de fuerzas concurrentes en un punto

Determinar distintas componentes rectangulares de una fuerza TEORÍA La interacción entre los distintos objetos de la naturaleza se observa en partículas cuando estas modifican su estado de reposo o de movimiento; la causa de esta interacción se conoce como fuerza. Si las líneas de acción de varias fuerzas se cortan en un mismo punto hablamos de fuerzas concurrentes; la suma vectorial de todas estas fuerzas se conoce como fuerza resultante, y es proporcional a la masa y a la aceleración que experimenta un objeto. Un sistema está en equilibrio estático si la magnitud de la fuerza resultante es nula. La fuerza que equilibra el sistema se conoce como fuerza equilibrante y es igual en magnitud y dirección, pero opuesta en sentido a la resultante de varias fuerzas concurrentes en un punto.

Figura Nº 1

Para analizar la naturaleza vectorial de las fuerzas haremos uso de la mesa de fuerza, que consiste en un círculo horizontal graduado (en grados) sobre cuyo borde deslizan cuatro cursores solitarios con sendas poleas. Estas sirven para concentrar en un anillo las fuerzas debidas a varias pesas sobre el centro del círculo. Se supone despreciable el roce entre las cuerdas y las poleas de los cursores, por tanto las tensiones de cada cuerda son iguales a los pesos que soporta cada cursor. PARTE I: PRE-LABORATORIO 1. Dos vectores de 5 y 8 unidades de longitud forman entre sí un ángulo de 45º,

determinar la magnitud del vector resultante y dirección respecto al más pequeño. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine la magnitud de la resultante y su dirección con ayuda de la regla y transportador, compare sus resultados por ambos métodos.

2. Determinar el ángulo entre dos vectores de 8 y 12 unidades de longitud tal que su vector resultante tiene magnitud de 10 unidades. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine el ángulo entre los vectores con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

3. Dos vectores forman un ángulo de 120º, uno de ellos tiene 10 unidades de

longitud y hace un ángulo de 45º con respecto a la resultante de la suma de ambos. Determinar las magnitudes del otro vector y de la resultante. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine la magnitudes de otro vector y de vector resultante con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

4. El vector resultante de la suma de dos vectores tiene 10 unidades de longitud y hace un ángulo de 30º con uno de los vectores componentes, el cual tiene una magnitud de 12 unidades. Determinar magnitud del segundo vector y el ángulo entre los vectores que se suman. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine la magnitudes del otro vector y su ángulo con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

5. Determinar el ángulo entre dos vectores de 4 y 6 unidades de longitud, cuando la resultante forma un ángulo respecto al primer vector de 60º. ¿Cuál es la magnitud del vector resultante? Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine el ángulo entre los vectores y la magnitud de la resultante con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

6. El vector resultante de dos vectores tiene una magnitud de 15 unidades y forma ángulos con respecto a sus vectores sumando de 30º y 45º; determinar las magnitudes de los dos vectores sumandos. Realice un dibujo a escala con ayuda de regla, compás y transportador, y determine las magnitudes de los vectores con ayuda de estos instrumentos de dibujo.

PARTE II: LABORATORIO

Ejercicio Nº 1. Determinación de la fuerza equilibrante de dos fuerzas

Monte el aparato, coloque la mesa en posición horizontal. Previa asignación de las fuerzas y direcciones de las mismas por parte del supervisor, los participantes del grupo han de ubicar en dos de los cursores en las direcciones (ángulos) señalados y colocar en el porta masa de cada polea correspondiente los pesos indicados (debe considerar el peso previo del porta masa que es de 5 gr-f). No olvidar colocar, en esta etapa, dentro del anillo central donde están atadas las cuerdas un sujetador que la fija al centro, a fin de evitar que el sistema deslice.

Se procede a colocar pesos en la tercera polea y se desliza el tercer cursor

hasta que el anillo central se separe del sujetador del centro de la mesa y quede centrado y en equilibrio con el mismo. Para confirmar sus resultados quite el sujetador central y mueva ligeramente el anillo de su posición de equilibrio. Si este vuelve a la misma, el sistema está en equilibrio.

Proceda a anotar en la tabla inferior todos los datos del ejercicio, y para

medir el error en magnitud de la equilibrante, aumente o reduzca pesos en el porta masa hasta que pierda el equilibrio y para el error de dirección deslice a ambos lados de la dirección de equilibrio el cursor hasta perder el equilibrio.

Tabla Nº 1 Módulo y direcciones de Fuerzas concurrentes en un punto

Fuerza Módulo (gr-f)

Error de módulo (gr-f)

Dirección (º)

Error de ángulo (º)

F1

F2

F equilibrante

Nota: para el error del módulo y dirección para las fuerzas F1 y F2 asuma los errores máximos absolutos. Ejercicio Nº 2. Composición de una fuerza en dos componentes perpendiculares

Monte el aparato, enumerando por conveniencia los cursores del 1 al 3, coloque el cursor nº 1 en la posición 180º y el peso asignado por el supervisor. No olvides colocar el sujetador en el centro del anillo para evitar deslizamiento del sistema,

A continuación coloque los cursores nº 2 y nº 3 en el primer y cuarto

cuadrante respectivamente. De tal forma que formen entre sí un ángulo de 90º. Y añada pesos a las poleas 2 y 3 de tal forma que el sistema se equilibre. Recuerde que los porta masa pesan 5 gr-f.

Cambie dos o tres veces el ángulo que forman los cursores nº 2 y nº 3 con respecto al sistema de referencia (0º) pero mantenga un ángulo entre ambos de 90º y repita el paso anterior. Anote sus resultados en la tabla inferior.

Tabla Nº 2 Composición de una fuerza en dos componentes perpendiculares

Módulo F1: Ángulo 1 (θ1) = 180º

Módulo F2 Módulo F4 Ángulo 2 (θ2)

Ángulo 3 (θ3) | θ2+ θ3| = 90º

PARTE III: POST-LABORATORIO

Ejercicio Nº 3: Verificación de los resultados de la fuerza equilibrante A partir de los datos de la tabla Nº 1 determinar las componentes de los vectores sumados (F1 y F2), así como los errores de dichas componentes. Realice la suma de las componentes y determine la magnitud y dirección del vector resultante, así como los errores correspondientes. Compare sus resultados analíticos con los experimentales, no olvide que la resultante es igual en magnitud y opuesta en sentido a la equilibrante. Dibuje, a escala, los vectores sumados y determine de forma gráfica la magnitud y dirección de la resultante. Compare sus resultados gráficos con los experimentales. Se recomienda el cálculo de errores mediante el error relativo porcentual mediante las siguientes expresiones:

(1)

(2)

(3)

(4)

Ejercicio Nº 4: Verificación de los resultados de la composición

A partir de los datos de la tabla Nº 2, llenar la siguiente tabla:

Tabla Nº 3 Verificación de componentes de una fuerzas

F1 =

θ2 F2 F3

cos(θ2) =

sen(θ3)

sen(θ2) = cos(θ3)

F1* cos(θ2)

F2* cos(θ2)

Compare resultados de las columnas 6,7 y 8 con los valores de F2, F3 y F1 respectivamente. Dibuje a escala, para cada caso medido en el ejerció nº 2, los vectores componentes y determine la magnitud y dirección de la resultante. Compare el valor de F1 y su dirección.

ACELERACION DE LA GRAVEDAD. CAIDA LIBRE. (SENSOR DE FOTOPUERTA Y LÁMINA OBTURADORA).

Traducción del Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 5. Teacher’s Guide Volumen 1. Pág. 53. Student Workbook Volumen 1. Pág. 35

Concepto Data Studio Science Workshop (Mac)

Science Workshop (Mac)

Movimiento Lineal

PO5Free Fall.ds

P06 Free Fall Picket Fence

P06_FALL.SWS

Equipos Requeridos:

Sensor de Foto puerta (CI-6742) 1 Lámina Obturadora 1 Base y soporte 1 OBJETIVOS

Utilizar el sensor “Fotopuerta” para medir el movimiento de un objeto en caída libre.

Utilizar el software Data Studio para determinar la aceleración de la caída de objetos.

Comparar los resultados de la pantalla de la tabla con los resultados de la gráfica.

Comparar el valor de la aceleración del objeto que cae con el valor aceptado.

TEORÍA Despreciando la resistencia del aire, un objeto cae una distancia proporcional al cuadrado del tiempo. Galileo fue el primero en obtener una relación matemática entre la distancia y el tiempo. Afirmó que para un lugar determinado en la Tierra, todos los objetos caen con la misma aceleración uniforme. Esta aceleración se conoce comúnmente como la aceleración de la gravedad, y se le da el símbolo g. Este valor es aproximadamente g = 9,8 m/seg2. Caída de una "Lámina Obturadora" (una tira de plástico transparente con velocidad uniforme entre bandas opacas) a través de un sensor de Fotopuerta: Cada banda opaca en la "Lámina Obturadora" bloquea la señal del sensor de Fotopuerta y el tiempo de un bloqueo a la siguiente se vuelve cada vez más corto. Conociendo la distancia entre el borde inferior de una banda opaca hasta el borde inferior de la banda opaca siguiente, el programa Data Studio calcula la velocidad media de la "Lámina Obturadora" por el movimiento de una banda a otra. La

pendiente de la gráfica de la velocidad media en función del tiempo da la aceleración de la caída de objetos. Predicción: A continuación dibuje una predicción del gráfico velocidad vs de tiempo de un objeto en caída libre.

PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO. 1. Conecte la interface del ScienceWorkshop al computador, encienda la interface y encienda el computador. 2. Conecte el plug de la Fotocompuerta al canal digital 1 de la interface.

3. En la pantalla principal, haga un clic en Data Studio para abrir el archivo, a continuación aparecen cuatro opciones, escoja “Crear Experimento” y realice un doble clic. Puede visualizarse en la pantalla del computador una fotografía del Scienceworkshop. Haga un clic en la línea de Canal 1 para añadir el sensor.

Línea de canales

En la pantalla se despliega una ventana para escoger el Sensor Digital. Para esta práctica, seleccione la opción “Fotopuerta y lámina obturadora” y haga un clic en aceptar.

PARTE II: CALIBRACIÓN DEL SENSOR Y CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO.

• No es necesario calibrar el sensor.

1. El programa supone 5 centímetros

(0, 05 m) de espacio -de punta a

punta-, entre la separación del borde

inferior de una banda opaca y el

borde inferior de la banda opaca

siguiente en la "lámina obturadora".

Para cambiar la configuración

predeterminada a otro valor, haga

doble clic en el Fotopuerta y Lámina

Obturadora, luego hacer clic en la

ventana “Constantes”. Introduzca el

valor correcto para la separación de

las bandas opacas en su Lámina

Obturadora. Haga clic en Aceptar

para regresar a la ventana de

configuración del experimento.

PARTE IIIA: TOMA DE DATOS.

1. Antes de grabar los datos para su posterior análisis, practique con la

Fotopuerta y la Lámina Obturadora.

Se recomienda que un viejo artículo de ropa, muestra de alfombra, o un

pedazo de cartón se coloque en el suelo directamente debajo de la Fotopuerta,

para que la lámina obturadora tenga un suave lugar para aterrizar y así no se

deteriore con facilidad.

2. Cuando todo esté listo, inicie la grabación de datos. Sostenga la lámina

obturadora en un extremo entre el pulgar y el dedo índice para que el borde

inferior la lámina obturadora esté justo por encima del haz de luz de la

Fotopuerta.

3. Deje caer la lámina obturadora verticalmente a través de la Fotopuerta. La

grabación de datos se inicia cuando el haz de luz de la Fotopuerta incida en la

primera área transparente. Detener la grabación una vez que la lámina

obturadora ha pasado totalmente a través de la Fotopuerta.

ANALIZANDO LOS DATOS

1. Configura tu pantalla el gráfico que muestra los valores de la velocidad en

función del tiempo.

2. Examinar el tramo de la velocidad en función del tiempo en la gráfica. Si es

necesario, ajustar la escala del gráfico para ajustar los datos, haciendo clic en el

ícono “optimizar”. Determine la pendiente de la recta más ajustada de la velocidad

en función del tiempo, haciendo clic en “Herramientas de Ajuste”.

Optimizar escala Herramienta de Ajuste

Sugerencia: Seleccione "Ajuste lineal” del menú

4. Utilice la tabla aceleración-tiempo. Seleccione los valores de la medición y

haga clic derecho y seleccione Estadística para determinar la "Media" de la

aceleración.

5. Anote el valor de la media de la aceleración, y la pendiente de la velocidad en

función del tiempo

ggráfico:_________________

gtabla: __________________

POST-LABORATORIO

1. ¿Puede un objeto tener cada vez mayor velocidad y una aceleración constante? ¿Puede la velocidad de un objeto ser cero en el mismo instante que su aceleración no es cero?

2. Compare la pendiente del gráfico velocidad vs tiempo con el valor aceptado de la aceleración de un objeto en caída libre (g = 9,8 m/seg2). Use el error relativo porcentual.

3. Compare el valor medio de la aceleración obtenida de la tabla con el valor aceptado de la aceleración de un objeto en caída libre (g = 9,8 m/seg2). Use el error relativo porcentual.

4. ¿Qué factores cree usted que puede hacer que el valor experimental sea

diferente al valor aceptado?

FUERZA DE FRICCIÓN CINÉTICA (PHOTOGATE / SISTEMA DE POLEAS)

Traducción del Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 21. Teacher’s Guide Volumen 1. Pág.199. Student Workbook Volumen 2. Pág. 145.

Concepto DataStudio ScienceWorkshop (Mac)

ScienceWorkshop (Win)

Leyes de Newton

P21 Kinetic Friction.DS

P25 Kinetic Friction

P25_KINE.SWS

Equipos Requeridos

Photogate/Sistema de Poleas (ME-6838)

Masa y Set sostenedor (ME-8967)

Balanza (SE-8723) Cuerda (SE-8050). 2 m Bloque de Fricción w / gancho (003-04708)

Tabla Universal (ME-9376)

¿Qué piensa usted acerca de? En relación con la dirección del movimiento, ¿en cuál dirección actúa la fuerza de fricción cinética?. Un poco de teoría. El bloque de masa M se coloca en una tabla nivelada conectado por una cuerda a una masa (m) que cuelga de una polea. A medida que la masa se suelta, empieza a caer y el bloque se deslizará sobre la superficie de la tabla. Si se considera a ambas masas como un sistema, el diagrama de cuerpo libre incluye dos fuerzas: la fuerza de la gravedad que actúa sobre la masa m y la fricción cinética que actúa sobre la masa M. De acuerdo a la segunda ley de Newton, el vector suma de las fuerzas es igual al total de las masas del sistema por la aceleración del sistema.

Σ F = mg - Fk = (M + m) a

donde Fk es la fuerza de fricción cinétrica que viene dada por:

Fk = µk N donde µk es el coeficiente de fricción cinética y N es la fuerza normal actuando sobre el bloque:

N = M g

Resolviendo y despejando el coeficiente de fricción cinética, queda que:

µk = ( mg - (M + m) a ) / M g En general, el coeficiente de fricción cinética para el bloque depende solo de los tipos de materiales que se frotan conjuntamente. Lo que usted debe hacer.

Utilizar el sistema Photogate/Poleas para estudiar la forma en que el coeficiente de fricción cinética de un objeto depende de la fuerza normal entre las superficies, el área de contacto entre las superficies, los tipos de material que hacen contacto y la velocidad relativa de las superficies. PARTE I: Configuración del Equipo. 1. Conecte la interface del ScienceWorkshop al computador, encienda la interface y encender el ordenador. 2. Conecte el plug del Photogate al canal digital 1 de la interface. 3. Abra el documento titulado tal como se muestra:

DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win)

P21 Kinetic Friction.DS

P25 Kinetic Friction P25_KINE.SWS

• El Documento DataStudio tiene una pantalla del Workbook. Lea las instrucciones en el Workbook. • El documento ScienceWorkshop muestra un gráfico de Velocidad vs. tiempo. • Nota: La longitud de arco para el sistema Photogate/Poleas se fija en 0.015 m. Si está utilizando una polea diferente, cambiar la longitud de arco en la ventana del sensor, haciendo un doble click en el icono de la polea inteligente en la ventana de configuración del experimento.

PARTE II: CALIBRACION DEL SENSOR Y CONFIGURACION DEL EQUIPO. • No es necesario calibrar el sistema de Photogate/poleas. 1. Usar la Polea de Montaje para adjuntar la polea a la lengüeta del Photogate. 2. Utilice la tabla universal para montar la varilla vertical de la polea en el borde de una superficie horizontal, como una mesa. 3. Determine la masa del bloque de fricción. Registre la masa en la tabla de datos del post-laboratorio.

4. Use un pedazo de cuerda alrededor de unos 10 centímetros más largo que la distancia desde la parte superior de la superficie horizontal hasta el suelo. Conecte un extremo de la cuerda al bloque. 5. Ponga la cuerda en la ranura de la polea. Conecte el gancho de la masa al otro extremo de la cuerda. Colocar el bloque y el Sistema Photogate/polea como se muestra en la figura. Si está utilizando un sostenedor PASCO, puede adjuntar la cuerda a la masa del sostenedor dando vueltas a la cuerda a través de la muesca de tres a cuatro veces.

PARTE IIIA: Toma de Datos – Superficie lisa más grande del bloque.

1. Coloque el bloque de tal manera que su lado liso más grande descanse sobre la superficie. 2. Ponga suficiente masa sobre el sostenedor, de tal manera que el bloque se deslice sobre la superficie sin necesidad de un impulso inicial. Medir y registrar el valor de la masa colgante TOTAL (recuerde incluir la masa del sostenedor).

3. Tire el bloque fuera del Sistema Photogate/Polea hasta que la masa colgante casi llegue a la polea. Mantenga el bloque en su lugar. Gire la polea para que la varilla del photogate no se bloquee (diodo emisor de luz-en el photogate no está encendido). 4. Comience el registro de datos. 5. Suelte el bloque. 6. Detenga el registro de datos justo antes que el bloque golpee la polea. No permita que el bloque golpee la polea. • Los datos aparecerán como Run # 1 (Corrida nro. 1). 7. Repita el procedimiento para obtener una segunda corrida de datos para la misma masa colgante y superficie. • Los datos aparecerán como Run # 2. (Corrida nro. 2). PARTE IIIB: Toma de datos – Bloque de diferente masa.

1. Duplique la masa del bloque, colocando una masa aproximadamente igual a la masa del bloque en la parte superior del bloque. 2. Mide y registre la masa total (M) del bloque y la masa adicional en la tabla de datos. 3. Duplique la masa colgante. Mide y registre la masa total colgante (m) en la tabla de datos. 4. Haga una corrida de datos (como lo hizo en la parte IIIA) para ver cómo las diferentes masas afectan el coeficiente de fricción cinética. PARTE IIIC: Toma de datos - Diferentes Superficies.

1. Retire la masa adicional del bloque y la masa adicional del sostenedor, para que queden solo las masas originales. 2. Oriente el bloque para que su lado liso más pequeño sea ahora el que descanse sobre la superficie horizontal. 3. Tome los datos, haga una corrida y compárela con los datos de la Parte III A. PARTE IIID: Toma de Datos - Superficie de materiales diferentes

1. Oriente el bloque para que su lado rugoso más grande descanse sobre la superficie horizontal. 2. Coloque suficiente masa sobre el sostenedor para que el bloque deslice sobre la superficie sin necesidad de un impulso inicial. Mida y registre el valor total de la masa colgante en la tabla de datos. Recuerde incluir la masa del sostenedor. 3. Tome un registro de datos para ver cómo los diferentes materiales afectan el coeficiente de fricción cinética. 4. Oriente el bloque para que su lado rugoso más pequeño descanse sobre la superficie horizontal. 5. Tome un registro de datos utilizando la misma masa colgante que empleó para el lado suave más grande y compárela con la corrida de los datos para el lado rugoso más grande.

PARTE IIIE: Toma de Datos - Diferentes masas colgantes. 1. Regrese el bloque a la orientación original, como en la Parte IIIA (la parte suave más grande hacia abajo). 2. Coloque una cantidad de masa en el sostenedor que sea mayor a la colocada en la Parte IIIA. Mida y registre la masa total del sostenedor en la tabla de datos. 3. Tome un registro de datos como en la Parte IIIA. 4. Repita el proceso anterior, utilizando masas colgantes superiores, haga 2 mediciones. Asegúrese de medir y registrar la masa total colgante para los tres ensayos. Resumen de datos tomados

Nro. de Corrida

Parte y Descripción

1 IIIA, Lado suave más grande del bloque


3 IIIB, Mayor masa de bloque y mayor masa colgante

4 IIIC, Lado suave más pequeño del bloque

5 IIID, Lado rugoso más grande del bloque

6 IIID, Lado rugoso más pequeño del bloque

7 IIIE, Mayor cantidad de masa colgante, caso 1



Analizando los Datos.

1. Determine la aceleración experimental para cada una de las corridas registradas. • Haga click en el gráfico de pantalla para activarlo. Encuentre la pendiente de la velocidad vs. tiempo, que representa la aceleración promedio del bloque. En DataStudio, seleccione Run # 1 (Corrida nro. 1), en el menú "Data" en el gráfico de la pantalla. Si se muestra una múltiple corrida de datos, en primer lugar seleccione “No Data” del Menú y, a continuación, seleccione Run # 1. Haga click en el botón "Scale to fit" para que los ejes del gráfico se ajusten a los datos. A continuación, haga click en el botón 'Fit' del menú. Seleccione 'Linear'. En ScienceWorkshop, seleccione Run # 1 desde el menú "Data" en la pantalla gráfica. Si se muestra una múltiple corrida de datos, en primer lugar seleccione “No Data” del Menú y, a continuación, seleccione Run # 1. Haga click en el botón "Autoscale" para que los ejes del gráfico se ajusten a los datos. Haga click en el botón “Statistics” para abrir el área de Estadística en el lado derecho de la gráfica.

En el área de estadísticas, haga click en el botón Menú de Estadística. Seleccione 'Curve Fit, Linear Fit' en el menú. • Registre la pendiente de la línea en la tabla de datos del Post-Laboratorio. Repita el procedimiento anterior para cada una de las corridas realizadas. 2. Usando los valores de las masas y el valor de la aceleración, determine y registre el coeficiente de fricción cinética de cada uno de los datos de la tabla. Registre sus resultados en el post-laboratorio. POST-LABORATORIO Responda nuevamente la interrogante inicial:

En relación con la dirección del movimiento, ¿en cuál dirección actúa la fuerza de fricción cinética? Tabla de Datos

Corrida M Masa total del bloque

(Kg)

m Masa total colgante

(Kg)

a exp aceleración

experimental (m / s2)

µk

coeficiente de fricción

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Resumen

Corrida Parte y Descripción µk



3 IIIB, Mayor masa de bloque y mayor masa colgante

4 IIIC, Lado suave más pequeño del bloque

5 IIID, Lado rugoso más grande del bloque

6 IIID, Lado rugoso más pequeño del bloque




Preguntas: 1. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con la masa del bloque? 2. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el área de contacto entre el bloque y la superficie horizontal? 3. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el tipo de material entre el bloque y la superficie horizontal? 4. Cuando se utilizan diferentes tipos de materiales ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética con el área de contacto entre el bloque y la superficie horizontal? 5. ¿Cómo varía el coeficiente de fricción cinética a medida que varía la velocidad debido a las diferentes masas colgantes? 6. ¿Cuál es la relación entre el coeficiente de fricción cinética y la masa, área de contacto, o velocidad del objeto? 7. Si la masa del bloque aumenta, ¿aumenta la fuerza de fricción cinética?. ¿Por qué?

SEGUNDA LEY DE NEWTON. MÁQUINA DE ATWOOD (SISTEMA DE PHOTOGATE Y POLEAS).

Traducción del Physics Labs with Computers. PASCO. Actividad Práctica 10. Teacher’s Guide Volumen 1. Pág. 89. Student Workbook Volumen 1. Pág.

Concepto DataStudio Science Workshop (Mac)

Science Workshop (Win)

Leyes de Newton

P10 ATwood’s.DS

P13 Atwood`s Machine

P13_ATWD.SWS

Equipos Requeridos. Sistema de Photogate y Poleas (ME-6838) Masas y Sostenedores (ME-8967) Cuerda (SE-8050) Tabla Universal (ME-9376B) ¿Qué piensa usted acerca de?

El propósito de esta actividad es estudiar la relación entre fuerza, masa y aceleración mediante una máquina de Atwood. ¿Cómo se aplica en la vida real la máquina de Atwood? Un poco de teoría

La aceleración de un objeto depende de la fuerza neta y de la masa del objeto. En una máquina de Atwood, la diferencia de peso entre dos masas colgantes determina la fuerza neta que actúa sobre el sistema conformado por ambas masas. Esta fuerza neta acelera ambas masas colgantes; la masa más pesada es acelerada hacia abajo y la más liviana es acelerada hacia arriba.

Basándose en el diagrama de cuerpo libre, T es la tensión en la cuerda, M2> M1, y g es la aceleración de la gravedad. Considerando que hacia arriba las fuerzas son positivas y hacia abajo negativas, las ecuaciones de fuerza neta para M1 y M2 son las siguientes:

Suponiendo que la polea es de masa despreciable, que la fricción es nula y que la cuerda es de masa despreciable e inextensible, entonces T1 = T2. Despejando “a”, la aceleración del sistema de ambas masas, la aceleración teórica es “g” veces la diferencia entre las masas dividida por el total de las masas.

Lo que usted debe hacer

Utilizar el Sistema de Photogate y poleas para estudiar el movimiento de las masas, mientras una sube la otra baja. Utilizar DataStudio o ScienceWorkshop para registrar los cambios en la velocidad de las masas a medida que se mueven. La pendiente de la curva de velocidad vs. tiempo es la aceleración del sistema. PARTE I: Configuración del Equipo.

1. Conecte la interface del ScienceWorkshop al computador, encienda la interface y encienda el computador. 2. Conecte el plug del Photogate al canal digital 1 de la interface. 3. Abra el documento tal como se muestra:

DataStudio Science Workshop (Mac) Science Workshop (Win)

P10 ATwood’s.DS P13 Atwood`s Machine P13_ATWD.SWS

• El documento DataStudio tiene una pantalla Workbook. Lea las instrucciones. • El documento ScienceWorkshop muestra un gráfico de velocidad vs. tiempo. • Nota: La longitud de arco de la polea está fijada en 0.015 m. Si está utilizando una polea diferente, cambie la longitud de arco en el sensor de ventana haciendo doble click en el icono del sensor en la ventana de configuración del experimento. PARTE II: Calibración del Sensor y Configuración del Equipo. • No es necesario calibrar el sensor. 1. Monte el sujetador en el borde de

una mesa. 2. Utilice la vara sostenedora de la polea para adjuntar la polea a la lengüeta del Photogate. 3. Coloque el Sistema de Photogate y Poleas en el sujetador para que la varilla quede horizontal. 4. Use un pedazo de cuerda de unos 10 cm más largo que la distancia desde la parte superior de la polea hasta el piso. Coloque la cuerda en la ranura de la polea. 5. Coloque portamasas o sostenedores a cada extremo de la cuerda. Para atar la cuerda al sostenedor, anude y enrolle alrededor de 5 veces. 6. Coloque de cinco a seis masas del juego de masas, con un total de (aproximadamente) 100 gramos de masa en un sostenedor y registre la masa total de M1 en la tabla de datos del Post-laboratorio. Asegúrese de incluir los 5 gramos de la masa del sostenedor en la masa total. En el otro sostenedor, coloque un poco más de masa, para que M2 sea ligeramente mayor que M1. Registre el valor de M2 en la tabla de datos.

7. Mueva el sostenedor de M2 hacia arriba hasta que la masa M1 casi toque el suelo. Sostenga a M2 para que no se caiga. Gire la polea de modo que el haz del Photogate no se bloquee (el diodo emisor de luz roja (LED) en el Photogate no debe encenderse).

PARTE IIIA: Toma de Datos – Masa Total Constante. 1. Suelte el sostenedor de M2 y deje caer. Inicie la grabación de datos. 2. Detenga la grabación justo antes de que el sostenedor de M2 toque el suelo. No deje que la masa en movimiento golpee a la polea. "Run # 1" aparecerá en la lista de datos. (Corrida nro. 1). 3. Para la Corrida nro. 2, mueva una masa del sostenedor de M2 y pásela a M1. Este proceso cambia la fuerza neta, sin cambiar la masa total del sistema. Registre la nueva masa total de cada sostenedor en la tabla de datos. Deje que la masa caiga y realice un nuevo registro de datos. Detenga la grabación de datos justo antes de que el sostenedor llegue al suelo. 4. Repita el paso anterior para crear tres combinaciones más de masas. Para cada caso, la fuerza neta varía, pero la masa total del sistema permanece constante. PARTE IIIB: Toma de Datos – Fuerza Neta Constante. 1. Colocar las masas tal y como estaban en la Corrida nro. 1. Ahora, lo que se pretende es cambiar la masa total del sistema, pero manteniendo la misma fuerza neta. Para ello, hay que añadir exactamente la misma cantidad de masa a los dos sujetadores. Asegúrese de que la diferencia de masa sea la misma que al inicio en la parte IIIA. 2. Añadir aproximadamente 10 g de masa a cada sujetador. Registre la nueva masa total de cada sostenedor en la tabla de datos. Suelte el sujetador M2 y déjelo caer. Comience a tomar los datos. Detenga la grabación justo antes de que el sujetador M2 alcance el suelo. 3. Repita el paso anterior para crear tres corridas más. Para cada corrida, la fuerza neta permanece constante, pero la masa total del sistema cambia. Analizando los datos

1. Determine la aceleración experimental para cada corrida de datos. • Haga click en el gráfico de pantalla para activarlo. Encuentre la pendiente de la velocidad vs. tiempo en el gráfico, la cual representa la aceleración promedio de las masas. En DataStudio, seleccione Run # 1 desde el menú de datos en la pantalla. Si se ejecutan múltiples datos, primero seleccione “No Data” del menú de datos y a continuación seleccione Run # 1. Haga click en "Scale to fit" para ajustar los ejes del Gráfico a los datos. A continuación, haga click en el botón 'Fit' del menú. Seleccione 'Linear'. En ScienceWorkshop, seleccione Run # 1 desde el menú de datos en la pantalla. Si se ejecutan múltiples datos, primero seleccione “No Data” del menú de datos y a continuación seleccione Run # 1. Haga click en "Autoscale" para ajustar los ejes del Gráfico a los datos. A continuación, haga click en el botón 'Statistics' para abrir el area de Estadística en el lado derecho del gráfico. En el área de Estadística

haga click en el botón de botón Menú de Estadística. Seleccione 'Curve Fit, Linear Fit' en el menú. Registre el valor de la pendiente en la tabla de datos. Repita el procedimiento anterior para cada una de las 9 corridas restantes. Para cada una de las corridas, utilizando los valores de las masas, calcule y registre la fuerza neta en la tabla de datos

Fnet = (M2 – M1 )g 3. Calcule y registre la masa total en la tabla de datos. 4. Utilizando la masa total y la fuerza neta, calcule la aceleración teórica, a través de la ecuación:

a = Fnet / (M1 +M2) 5. Para cada corrida, calcule y registre la diferencia porcentual entre la aceleración experimental y la aceleración teórica. Registre los resultados en el post-laboratorio. POST-LABORATORIO Responda nuevamente la interrogante inicial:

¿Cómo se aplica en la vida real la máquina de Atwood? Tabla de Datos: Masa Total Constante

Corrida M1 (kg)

M2 (kg)

a exp (m/s2)

F neta (N)

M1 + M2 (kg)

a teor (m/s2)

Diferencia Porcentual

1

2

3

4

5

Tabla de Datos: Fuerza Neta Constante

Corrida M1 (kg)

M2 (kg)

a exp (m/s2)

F neta (N)

M1 + M2 (kg)

a teor (m/s2)

Diferencia Porcentual

6

7

8

9

10

Preguntas: 1. Compare la aceleración experimental con la aceleración teórica determinando la diferencia porcentual. ¿Qué causas podrían considerarse para esta diferencia porcentual?. 2. Para los datos de masa total constante, realice un gráfico de Fuerza neta vs. aceleración experimental. Nota: Incluya un signo negativo para la aceleración cuando M1 es mayor que M2. Anexe el gráfico al post-laboratorio. 3. Dibuje la mejor línea de ajuste en el gráfico. ¿Qué representa la pendiente de ésta línea?. 4. ¿Cómo el gráfico de Fuerza vs. aceleración se relaciona con la Segunda Ley de Newton?.

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GUIAS DE LABORATORIO I DE FISICA