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Tecsup – P.F.R. Laboratorio de Física II

PRÁCTICA Nº 01

ESTÁTICA. PRIMERA CONDICIÓN DE EQUILIBRIO.

1. OBJETIVO

1) Comprobar experimentalmente la primera condición de equilibrio, para fuerzas coplanares y concurrentes.

2) Verificar los resultados obtenidos experimentalmente y contrastarlos con los procedimientos teóricos dados en clase y establecer las diferencias.

3) Determinar relaciones matemáticas entre las variables físicas que interviene en un experimento.

2. MATERIALES - Computadora personal con programa Data Studio instalado - Interfase Power link - Sensor de fuerza (2) - Pesa de 0,5 N (5) - Varillas (5) - Bases soporte (2) - Nuez doble (4) - Grapas (2) - Cuerda - Transportador - Regla - Calculadora.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO

Fuerzas.

El concepto de fuerza se relaciona frecuentemente con esfuerzo muscular, empuje, tracción, etc. Para mover una mesa debemos empujarla haciendo un esfuerzo muscular, aplicado a un punto de la mesa. Además la mesa la empujamos en determinado sentido. Recordemos que las magnitudes que se definen con módulo, dirección y sentido se llaman vectoriales y las magnitudes que se definen con su número y su unidad se llaman escalares. Otras fuerzas que podemos mencionar son: tensión, fuerza de rozamiento, peso y normal. Las fuerzas que son ejercidas mediante cuerda se les denomina tensiones. A la fuerza que ejerce la tierra sobre los objetos sobre su superficie (por la atracción gravitacional) se le denomina peso y está verticalmente dirigida hacia abajo y tiene un módulo W = m g, siendo m la masa de cuerpo y g el módulo de la aceleración de la gravedad.

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Laboratorio de Física II Tecsup – P.F.R.

3.1.1.Medición de la fuerza.

¿Qué haría usted si le solicitaran su colaboración para mover un equipo pesado de un nivel de instalación industrial a otro? Seguramente iniciaría su investigación preguntándose:¿Cuán pesado es? Además observará el lugar donde se encuentra el equipo y donde debe quedar instalado. Luego propondrá algunas soluciones de cómo y con que hacerlo. Aquí estudiaremos un sistema a escala diseñados para los efectos anteriormente indicados con una rampa (plano inclinado) y una cuerda. Para su uso debemos tener claro cuál es el ángulo que debemos dar a la rampa, cuanta fuerza deberá hacer la cuerda para tirar el equipo y cuánto peso soporta la rampa. Resolveremos el problema matemáticamente haciendo uso del conocimiento de fuerzas coplanares concurrentes y tomando datos directamente del modelo a escala. Para esto debemos tener claro el concepto de fuerzas, unidades y representación gráfica de un vector. Para lograr el equilibrio de fuerzas de traslación se debe cumplir la primera condición de equilibrio, como veremos más adelante.

3.1.2.Diagrama de Cuerpo Libre D.C.L.

Hacer un D.C.L. de un cuerpo es representar

gráficamente las fuerzas que actúan sobre él. Procedemos de la siguiente manera:

1. Se aísla el cuerpo de todo sistema. 2. Se representa al peso del cuerpo mediante un vector

dirigido siempre hacia el centro de la tierra (w).

3. Si existiese superficies en contacto, se representa la reacción mediante un vector perpendicular a dichas superficies y empujando siempre al cuerpo (N o R).

4. Si hubiesen cables o cuerdas, se representa la tensión

mediante un vector que está siempre jalando al cuerpo, previo corte imaginario (T).

5. Si existiesen barras comprimidas, se representa a la compresión mediante un vector que está siempre empujando al cuerpo, previo corte imaginario (C).

6. Si hubiese rozamiento se representa a la fuerza de roce

mediante un vector tangente a las superficies en contacto y oponiéndose al movimiento o posible movimiento.

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Leyes de Newton.

Primera Ley de Newton. Principio de inercia Newton en su primera ley explica que un cuerpo en equilibrio seguirá en equilibrio hasta que alguna fuerza intervenga.

“Si un cuerpo está en reposo, permanecerá en reposo; si está en movimiento seguirá trasladándose en línea recta y a velocidad

constante, salvo si interviene alguna fuerza externa” Tercera Ley de Newton. Principio de acción y reacción.

Newton dijo: “A toda acción se le opone una reacción de

igual magnitud pero en sentido contrario” 3.2.1. Primera condición de equilibrio.

Diremos que un cuerpo se encuentra en equilibrio de traslación cuando la resultante de las fuerzas que lo afectan es cero.

R=∑F =0

Cuerpo en equilibrio Polígono vectorial cerrado F2 F3

F1 α F4

3.2.2. Teorema de Lami

Si un cuerpo está en equilibrio debido

a la acción de tres fuerzas, éstas deberán ser: F3 α

1. Coplanares y concurrentes

F2 2. Una de ellas será igual pero opuesta a la resultante de las otras dos.

3. El módulo de cada fuerza será

directamente proporcional con el seno β γ

3

α


del ángulo que se opone a su correspondiente dirección.

F1

senα senβ senγ

4. PROCEDIMIENTO

Verificación del dinamómetro. Ensamblar todas las piezas como se ve en la figura 1.

Figura 1. Primer montaje para la verificación del dinamómetro.

Ingrese al programa Data Studio, al ingresar al sistema lo recibirá la ventana de bienvenida siguiente

4

= =1 2 3F F F

Base

Nuez dobleGrapa

Varilla

Pesas


Figura 2. Ventana de bienvenida del Data Studio.

Haga clic sobre el ícono CREAR EXPERIMENTO y seguidamente reconocerá los dinamómetros previamente insertados a la interfase Power Link.

Haga clic en el icono CONFIGURACION y seleccione tiro positivo a una frecuencia de 50 Hz. Luego presione el icono del SENSOR DE FUERZA 1 luego seleccione numérico y cambie a 2 cifras después de la coma decimal. Seguidamente arrastre el icono MEDIDOR DIGITAL sobre cada uno de los dinamómetros. Usted vera aparecer una ventana como la siguiente

Figura 3. Ventana de señal digital. Al hacerle doble clic sobre el icono del sensor de fuerza y

seleccionar el icono NUMÉRICO usted podrá agregar la cantidad de cifras después del punto decimal. Trabaje con 2 cifras. Según información proporcionada por el fabricante la mínima lectura que proporciona el equipo es de 0.03 N y la máxima 50 N. Una vez colocado de esta manera y sin ninguna fuerza adicional apriete el botón Zero colocado sobre el mismo sensor.

Ahora determine el peso de una pesa, luego de dos, tres y cuatro pesas respectivamente. Anotando la lectura del dinamómetro en la tabla 1.

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TABLA 1

T=7.6s t= 7.6s t=4.4s t=5.6s t=7.0s

Cantidad de pesas

1 2 3 4 5

Peso (N) 0.1 0.2 0.2 0.3 0.4

Lectura P ± ∆P ± ± ± ± ±

Observación: Podemos tomar a ∆P como el error instrumental del equipo que es la mínima lectura que efectúa entre 2. Según información proporcionada por el fabricante laminita lectura del sensor fuerza es de 0,03 N.

4.1.1. Con sus palabras defina el concepto de fuerza. La fuerza también es el estado más vigoroso de algo (como ocurre al resaltar la fuerza de la juventud), una plaza acondicionada para tareas de defensa, una faja que se cose con el propósito de hacer más resistente un tejido y la gente de guerra (las fuerzas militares).

4.1.2. ¿Cómo hizo para representar una fuerza? Hacer girar una piedra o un cuerpo atado en el extremo de una cuerda, girando a velocidad angular constante: al lograr un movimiento circular uniforme la única aceleración es la centrípeta, esto significa que es de dirección PERPENDICULAR a la de la piedra u objeto en el extremo de la piedra.

4.1.3. ¿Es la fuerza un vector? ¿Por qué? Dar ejemplos de otras magnitudes físicas vectoriales.

La fuerza que hago para sostener un vaso de agua. L a fuerza del sillón sobre mí para sostenerme. La fuerza que hago con el zapato sobre el suelo hacia atrás cuando

camino hacia adelante. La fuerza de mis dientes sobre la manzana cuando la muerdo. La fuerza con que me atrae la Tierra. La fuerza con que yo atraigo a

la Tierra. Son iguales pero de sentido contrario (yo atraigo a la Tierra hacia "arriba"

la Tierra me atrae hacia "abajo").

Acción y reacción.

6

http://definicion.de/estado/


Haga clic sobre el icono CONFIGURACIÓN, seleccione la opción tiro positivo que tiene para el sensor de fuerza 1 y la opción empuje positivo para el sensor de fuerza 2, ambos a 50 hz. Ambos deben tener 2 dígitos después de la coma decimal.

Arrastre el icono GRÁFICO sobre el sensor de fuerza 1. Usted

verá aparecer la ventana de un gráfico de fuerza en función del tiempo. Luego arrastre el icono GRAFICO 1 sobre el sensor de fuerza 2. Así quedará un gráfico con dos ejes Y coordenados de fuerza (para cada sensor) que comparten el eje X (tiempo).

Seguidamente mientras usted tira de los dinamómetros como

se muestra en la figura 4, otro compañero grabará los datos obtenidos.

Los cuales deben quedar similares a los obtenidos en la figura

5, observe que se encuentras los datos de ambos dinamómetros.

Figura 5. Resultado del segundo montaje.

4.2.1. ¿Cuáles son los máximos y mínimos valores obtenidos? Utilice el

ícono estadísticas.

4.2.2. ¿A qué se debe la forma tan peculiar de la figura? Haga otra grabación para observar si conserva el contorno cerrado.

4.2.3. Finalmente ¿A qué ley de Newton se ajusta los resultados

obtenidos? ¿Por qué?

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Segundo montaje. Figura 4.


Paralelogramo de fuerzas concurrentes.

Ensamble las piezas como se muestra en la figura 6, de tal manera que obtenga F1 = 0,8 N y F2 = 0,8 N, de las señales digitales de los dinamómetros.

Figura 6. Tercer montaje.

Estableciendo una escala a las fuerzas, dibuje un paralelogramo midiendo el valor de la diagonal (FR ). Anote los valores medidos en la tabla 2.

TABLA 2.

F1 (N)

0,8 0.2

1,1 0.1

1,0 0.1

F2 (N)

0,8 0.2

1,1 0.1

0,5 0.2

FR (N)

P (N)

α1 (º)

30° 40° 45°

α2 (º)

40° 60° 40°

8


9


DIBUJADO POR: ESCALA

FR =

FECHA

10



FR =

FECHA

11



FR =

FECHA

Ensamble las piezas tal como se observa en la figura 7, de tal manera que α1 = α2 = 20º.

Figura 7. Cuarto

montaje

Estableciendo una escala a las fuerzas, dibuje un paralelogramo

midiendo el valor de la diagonal. Anote los valores medidos en la tabla 3.

TABLA 3

α1 (º)

10º

20º

40º

α2 (º)

10º

20º

40º

12

α 0º α

Transportador


F1 (N)

0.1 0.2 0.2

F2 (N)

0.3 0.2 0.2

FR (N)

0i o.o4j -0.04k

P (N)

13



FR =

FECHA

14



FR = FECHA

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FR =

FECHA

4.3.1. Compara la fuerza resultante con la fuerza originada por las pesas P. ¿Qué puede concluir?

4.3.2. Una persona desde su casa camina 12 cuadras hacia el Norte y luego

camina otras 16 hacia el Este. Entonces en el regreso más corto ¿Caminará 28 cuadras? Justifique su respuesta usando vectores.

4.3.3. ¿Es el peso una fuerza? Explique. El peso es la fuerza que la gravedad de cualquier planeta ejerce sobre un cuerpo, de acuerdo a la masa que posee dicho cuerpo. El valor de esta fuerza depende de variables como: 4.3.4. ¿Qué significa equilibrio? Estado de inmovilidad de un cuerpo sometido a dos o más fuerzas de la misma intensidad que actúan en sentido opuesto, por lo que se contrarrestan o anulan."los platillos de la balanza están en equilibrio; el estudio de los principios de la estática conduce a conocer bajo qué condiciones un cuerpo permanece en estado de equilibrio, y los diferentes tipos de equilibrio que existen"

4.3.5. Significa entonces que un cuerpo en equilibrio está necesariamente en reposo.

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Un objeto se encuentra en reposo respecto al marco de referencia en el que se encuentra el objeto y el observador, si el objeto no se desplaza y no gira. En este caso la suma de fuerzas actuantes (resultante de fuerzas) sobre él es igual a cero y la suma de torques (resultante de momentos de torsión) también es igual a cero.

4.4. Aplicación

Con el empleo de una cuerda la que será ubicada según se muestra en la figura 8, determinaremos el valor de una masa desconocida.

Emplee el transportador para medir los ángulos necesarios formados por la cuerda y determine Mx. Repita la operación dos veces más, desplazando uno de los ganchos o ambos. Con estos resultados, halle un promedio para Mx

TABLA 4

F1

α1

F2

α2

P(N)

Mx (kg)

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Quinto montaje Figura 8.


MPROMEDIO =

Kg

4.4.1. ¿Por qué es importante hallar una fuerza resultante? La fuerza neta es la fuerza resultante al hacer una suma vectorial de todas las fuerzas que actúan en un cuerpo. El esquema se refiere a un dibujo en el que cada fuerza debe ser dibujada como un segmento orientado con una flecha indicando el sentido de la fuerza. 4.4.2. ¿Cuál es la diferencia entre fuerza y fuerza resultante? Si sobre un cuerpo actúan varias fuerzas se pueden sumar las mismas de forma vectorial (como suma de vectores) obteniendo una fuerza resultante, es decir equivalente a todas las demás. Si la resultante de fuerzas es igual a cero, el efecto es el mismo que si no hubiera fuerzas aplicadas: el cuerpo se mantiene en reposo o con movimiento rectilíneo uniforme, es decir que no modifica su velocidad. 4.4.3. Generalmente se considera que al existir una fuerza resultante un

cuerpo se mueve. ¿Por qué no se mueven las pesas? Porque la suma de todas su fuerzas equivale a cero y adquiere n equilibrio trasnacional

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5. OBSERVACIONES

5.1._____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.2._____________________________________________________________

_____________________________________________________________

5.3._____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6. CONCLUSIONES

6.1._____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.2._____________________________________________________________

_____________________________________________________________

6.3._____________________________________________________________

_____________________________________________________________

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